CN108214507A - 一种磁导航护理床出入库系统及出入库方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁导航护理床出入库系统，包括用于检测地磁信号的磁导航传感器；用于根据磁导航传感器反馈信号计算磁导航传感器与地磁相对位置的主控单元；用于驱动轮椅移动的两轮差速伺服驱动模块；用于出入库过程中障碍物检测的避障传感器；以及用于与主控单元无线通信的操作器；避障传感器与所述主控单元连接；操作器与主控单元无线连接；磁导航传感器的输入端接收地磁信号，磁导航传感器的输出端连接主控单元的输入端，主控单元的输出端连接两轮差速伺服驱动模块，两轮差速伺服驱动模块控制轮椅的两个轮动作。本发明可精准快捷实现电动轮椅车与护理床的合并或分离，减少被护理人员由于二次搬运造成的伤害。

Description

一种磁导航护理床出入库系统及出入库方法

技术领域

本发明涉及磁导航自动控制技术领域，特别是涉及一种磁导航护理床出入库系统及出入库方法。

背景技术

随着中国人口老年化的加剧，多功能护理床在未来将会有很好的发展前景。市场目前有很多种普通的电动护理床和电动轮椅产品，长期卧床的患者需要在家属或护理人员的帮助下从床上搬运到轮椅上，这种搬运方式很可能会对患者和护理人员造成伤害。在此背景下，一种电动护理床与电动轮椅车功能上二合一的新产品，机器人护理床由此产生。

磁导航机器人护理床出入库系统就是保证护理床与轮椅车精准自动合并、分离。让二者能够完美结合，让上肢健康的被护理人员能够靠自己的能力，实现从床到轮椅的转移。虽然磁导航机器人护理床出入库系统在理论上能够很好的保证护理床与轮椅的精准合并、分离，但是磁导航系统受地磁与床的相对位置影响，理想相对位置发生改变，在一定程度上会影响实际效果。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁导航护理床出入库系统及出入库方法，用于解决现有技术中护理床与轮椅车不能自动、精准合并、分离的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种磁导航护理床出入库系统，所述护理床包括可相互合并、分离的床体和轮椅，所述护理床所在场地铺设有地磁，所述出入库系统包括：用于检测地磁信号的磁导航传感器；用于根据所述磁导航传感器反馈信号计算所述磁导航传感器与地磁相对位置的主控单元；用于驱动所述轮椅移动的两轮差速伺服驱动模块；用于出入库过程中障碍物检测的避障传感器；以及用于与所述主控单元无线通信的操作器；所述避障传感器与所述主控单元连接；所述操作器与所述主控单元无线连接；所述磁导航传感器的输入端接收地磁信号，所述磁导航传感器的输出端连接所述主控单元的输入端，所述主控单元的输出端连接两轮差速伺服驱动模块，所述两轮差速伺服驱动模块控制所述轮椅的两个轮动作，实现电动轮椅车与护理床的合并或分离。

于本发明的一实施方式中，所述磁导航传感器包括安装在所述轮椅前端的前磁导航传感器和安装在所述轮椅后端的后磁导航传感器。

于本发明的一实施方式中，所述两轮差速伺服驱动模块包括左轮驱动电机和右轮驱动电机，所述左轮驱动电机的输出轴连接所述轮椅的左轮的转轴，所述右轮驱动电机的输出轴连接所述轮椅的右轮的转轴。

于本发明的一实施方式中，还包括供电电源，所述供电电源与所述磁导航传感器、主控单元、两轮差速伺服驱动模块、避障传感器和操作器连接。

于本发明的一实施方式中，所述避障传感器为超声波传感。

本发明还提供一种磁导航护理床出入库方法，包括以下步骤：S1、通过操作器按键无线发送入库或出库指令到主控单元；S2、主控单元根据入库或出库指令，与磁导航传感器、避障传感器、两轮差速伺服驱动模块通讯，并判断轮椅相对于地磁的位置；S3、利用两轮差速转向原理控制两轮差速伺服驱动模块动作，实现电动轮椅车的入库或出库动作。

于本发明的一实施方式中，在所述步骤S2中，所述磁导航传感器包括安装在所述轮椅前端的前磁导航传感器和安装在所述轮椅后端的后磁导航传感器，所述前磁导航传感器在所述S1步骤中操作器按键发送出库指令时检测地磁；所述后磁导航传感器在所述S1步骤中操作器按键发送入库指令时检测地磁。

于本发明的一实施方式中，在所述步骤S2中，所述两轮差速伺服驱动模块包括左轮驱动电机和右轮驱动电机，所述左轮驱动电机接收主控单元信号并控制所述轮椅的左轮的动作，所述右轮驱动电机接收主控单元信号并控制所述轮椅的右轮的动作。

于本发明的一实施方式中，所述避障传感器通过超声波检测障碍物信号并发送至所述主控单元。

于本发明的一实施方式中，所述主控单元接收所述避障传感器发送的障碍物信号后，控制所述两轮差速伺服驱动模块驱动轮椅避开障碍物。

如上所述，本发明的一种磁导航护理床出入库系统及出入库方法，具有以下有益效果：

1、利用磁导航传感器检测地磁，磁导航传感器返回的位置信息精度较高，优于激光传感器、视觉传感器，且成本非常低，更具有产业价值；

2、利用两轮差速转向原理控制轮椅两个轮子的动作，精准、快捷地实现电动轮椅车的入库或出库动作；

3、为了避免使用单一磁导航传感器会出现由于前轮中心位置(或后轮中心位置)离传感器位置较远，造成反馈的信号与电动轮椅车的实际位置模糊，从而影响合并、分离的精度，本发明采用前后两个磁导航传感器精准实现电动轮椅车与护理床的合并、分离；

4、方便被护理床人员从床到轮椅、从轮椅到床的转移，减少被护理人员由于二次搬运造成的伤害，让被护理床人员更有尊严。

附图说明

图1显示为本发明磁导航护理床出入库系统结构框架图。

图2显示为本发明磁导航护理床入库方法的流程图。

图3显示为两轮差速运动学模型图。

元件标号说明

1 地磁

2 磁导航传感器

3 主控单元

4 两轮差速伺服驱动模块

5 避障传感器

6 操作器

S1～S3 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

多功能护理床包括床体和轮椅两部分，床体留有一定的轮椅容纳空间，轮椅可以与床体合并或分离，合并的过程称作入库，分离的过程称作出库，一般手动的入库和出库过程比较麻烦，需要护工辅助完成，费时费力，本发明正是为了解决护理床与轮椅车不能自动、精准合并、分离的问题设计的，当然也可以应用于其他需要自动导航的领域，如无人搬运车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)等。

请参阅图1，本发明提供一种磁导航护理床出入库系统，所述护理床包括可相互合并、分离的床体和轮椅，所述护理床所在场地铺设有地磁1，所述出入库系统包括：用于检测地磁1信号的磁导航传感器2；用于根据所述磁导航传感器2反馈信号计算所述磁导航传感器2与地磁1相对位置的主控单元3；用于驱动所述轮椅移动的两轮差速伺服驱动模块4；用于出入库过程中障碍物检测的避障传感器5；以及用于与所述主控单元3无线通信的操作器6；所述避障传感器5与所述主控单元3连接；所述操作器6与所述主控单元3无线连接；所述磁导航传感器2的输入端接收地磁1信号，所述磁导航传感器2的输出端连接所述主控单元3的输入端，所述主控单元3的输出端连接两轮差速伺服驱动模块4，所述两轮差速伺服驱动模块4控制所述轮椅的两个轮动作，实现电动轮椅车与护理床的合并或分离。

由于出库的时候需要对前端的地磁1进行检测，入库的时候需要对后端的地磁1进行检测，于一实施例中，所述磁导航传感器2包括安装在所述轮椅前端的前磁导航传感器和安装在所述轮椅后端的后磁导航传感器。所述前磁导航传感器在出库时检测地磁1，所述后磁导航传感器在入库时检测地磁1。

作为示例，所述两轮差速伺服驱动模块4包括左轮驱动电机和右轮驱动电机，所述左轮驱动电机的输出轴连接所述轮椅的左轮的转轴，用于控制左轮的转速，所述右轮驱动电机的输出轴连接所述轮椅的右轮的转轴，用于控制右轮的转速。通过调整左轮驱动电机和右轮驱动电机的转速来实现轮椅的转向。

作为示例，还包括供电电源(图中未示出)，所述供电电源与所述磁导航传感器2、主控单元3、两轮差速伺服驱动模块4、避障传感器5和操作器6连接。所述供电电源用于为系统提供电源，所述供电电源包括用于所述操作器6的干电池。

作为示例，所述避障传感器5为超声波传感，用于感应障碍物。

作为示例，所述操作器6与所述主控单元3通过例如红外线、蓝牙之类的无线连接，遥控所述主控单元3。

本发明磁导航护理床出入库系统的工作方式：使用者操作手持操作器6，操作按键发送入库(或出库)指令到主控单元3，主控单元3根据入库(或出库)指令，与后磁导航传感器(或前磁导航传感器)、避障传感器5、左轮驱动电机和右轮驱动电机通讯，判断轮椅相对于地磁1(磁条)的位置，再根据相关算法程序实现机器人护理床的精准入库(或出库)动作。

请参阅图2，本发明还提供一种磁导航护理床出入库方法，包括以下步骤：

S1、通过操作器按键无线发送入库或出库指令到主控单元。

S2、主控单元根据入库或出库指令，与磁导航传感器、避障传感器、两轮差速伺服驱动模块通讯，并判断轮椅相对于地磁的位置。

于一实施例中，所述磁导航传感器包括安装在所述轮椅前端的前磁导航传感器和安装在所述轮椅后端的后磁导航传感器，所述前磁导航传感器在所述S1步骤中操作器按键发送出库指令时检测地磁；所述后磁导航传感器在所述S1步骤中操作器按键发送入库指令时检测地磁。

于一实施例中，所述两轮差速伺服驱动模块包括左轮驱动电机和右轮驱动电机，所述左轮驱动电机接收主控单元信号并控制所述轮椅的左轮的动作，所述右轮驱动电机接收主控单元信号并控制所述轮椅的右轮的动作。

作为示例，所述避障传感器通过超声波检测障碍物信号并发送至所述主控单元。所述主控单元接收所述避障传感器发送的障碍物信号后，控制所述两轮差速伺服驱动模块驱动轮椅避开障碍物。

S3、利用两轮差速转向原理控制两轮差速伺服驱动模块动作，实现电动轮椅车的入库或出库动作。

请参阅图3，为轮椅的两轮差速运动学数学模型，设A为左轮，C为右轮，B为两车轮中心点，AC表示两车轮距为L，V表示车速，左轮速度V_l，右轮车速V_r，速度方向都垂直于AC。

AC上任意一点都绕着O点做圆周运动，由此可以推出，当V_l≠V_r时，图中为V_l＞V_r，轮椅车绕O点做圆周运动。确定O点即可确定轮椅车角速度和速度。

V_l/V_r＝AO/CO，AO＝L+CO，得CO＝V_r*L/(V_l-V_r)；

又R＝CO+L/2；

R＝L(V_l+V_r)/2(V_l-V_r)；(1)

轮椅车速度V＝(V_l+V_r)/2；(2)

小车的角速度ω＝V/R＝(V_l-V_r)/L；(3)

出入库系统是以驱动轮轴中心为原点的小车坐标系下的运动速度，包括x方向，即垂直于驱动轮轴方向，速度变量名为cmd_vel.linear.x，z方向，即以原点为中心的角速度方向，变量名为cmd_vel.angular.z。应用差动轮运动模型，解算出各轮所需角速度，单位为rad/s，转换成格每秒后，调用电机速度设置函数，驱动电机运行。

参数说明：

double r；轮子的半径，单位m；

double len；轮距，单位m；

int amp_vel；电机转速比例常数，即1rad/s＝149.59格/s。电机转速设定函数中的速度参数以格/s为单位。

int k；可调比例参数。

根据小车的轮子半径r、驱动轮轮距len、电机转速参数amp_vel，以及垂直于驱动器轴方向速度cmd_vel.linear.x，角速度方向速度cmd_vel.angular.z，根据以下算法可以得到轮椅车出入库过程中左侧驱动电机转速V_left、右侧驱动电机转速V_right，从而实现轮椅车精准的出库与入库动作。

V_left＝amp_vel*(cmd_vel.linear.x+k*cmd_vel.angular.z*len)/r；

V_right＝amp_vel*(cmd_vel.linear.x+k*cmd_vel.angular.z*len)/r

综上所述，本发明的一种磁导航护理床出入库系统及出入库方法，利用磁导航传感器检测地磁，磁导航传感器返回的位置信息精度较高，优于激光传感器、视觉传感器，且成本非常低，更具有产业价值；利用两轮差速转向原理控制轮椅两个轮子的动作，精准、快捷地实现电动轮椅车的入库或出库动作；为了避免使用单一磁导航传感器会出现由于前轮中心位置(或后轮中心位置)离传感器位置较远，造成反馈的信号与电动轮椅车的实际位置模糊，从而影响合并、分离的精度，本发明采用前后两个磁导航传感器精准实现电动轮椅车与护理床的合并、分离；方便被护理床人员从床到轮椅、从轮椅到床的转移，减少被护理人员由于二次搬运造成的伤害，让被护理床人员更有尊严。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种磁导航护理床出入库系统，所述护理床包括可相互合并、分离的床体和轮椅，所述护理床所在场地铺设有地磁，其特征在于，所述出入库系统包括：

用于检测地磁信号的磁导航传感器；

用于根据所述磁导航传感器反馈信号计算所述磁导航传感器与地磁相对位置的主控单元；

用于驱动所述轮椅移动的两轮差速伺服驱动模块；

用于出入库过程中障碍物检测的避障传感器；以及

用于与所述主控单元无线通信的操作器；

所述避障传感器与所述主控单元连接；所述操作器与所述主控单元无线连接；所述磁导航传感器的输入端接收地磁信号，所述磁导航传感器的输出端连接所述主控单元的输入端，所述主控单元的输出端连接两轮差速伺服驱动模块，所述两轮差速伺服驱动模块控制所述轮椅的两个轮动作，实现电动轮椅车与护理床的合并或分离。

2.根据权利要求1所述的磁导航护理床出入库系统，其特征在于，所述磁导航传感器包括安装在所述轮椅前端的前磁导航传感器和安装在所述轮椅后端的后磁导航传感器。

3.根据权利要求1所述的磁导航护理床出入库系统，其特征在于，所述两轮差速伺服驱动模块包括左轮驱动电机和右轮驱动电机，所述左轮驱动电机的输出轴连接所述轮椅的左轮的转轴，所述右轮驱动电机的输出轴连接所述轮椅的右轮的转轴。

4.根据权利要求1所述的磁导航护理床出入库系统，其特征在于，还包括供电电源，所述供电电源与所述磁导航传感器、主控单元、两轮差速伺服驱动模块、避障传感器和操作器连接。

5.根据权利要求1所述的磁导航护理床出入库系统，其特征在于，所述避障传感器为超声波传感。

6.一种磁导航护理床出入库方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过操作器按键无线发送入库或出库指令到主控单元；

S2、主控单元根据入库或出库指令，与磁导航传感器、避障传感器、两轮差速伺服驱动模块通讯，并判断轮椅相对于地磁的位置；

S3、利用两轮差速转向原理控制两轮差速伺服驱动模块动作，实现电动轮椅车的入库或出库动作。

7.根据权利要求6所述的磁导航护理床出入库方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述磁导航传感器包括安装在所述轮椅前端的前磁导航传感器和安装在所述轮椅后端的后磁导航传感器，所述前磁导航传感器在所述S1步骤中操作器按键发送出库指令时检测地磁；所述后磁导航传感器在所述S1步骤中操作器按键发送入库指令时检测地磁。

8.根据权利要求6所述的磁导航护理床出入库方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述两轮差速伺服驱动模块包括左轮驱动电机和右轮驱动电机，所述左轮驱动电机接收主控单元信号并控制所述轮椅的左轮的动作，所述右轮驱动电机接收主控单元信号并控制所述轮椅的右轮的动作。

9.根据权利要求6所述的磁导航护理床出入库方法，其特征在于，所述避障传感器通过超声波检测障碍物信号并发送至所述主控单元。

10.根据权利要求9所述的磁导航护理床出入库方法，其特征在于，所述主控单元接收所述避障传感器发送的障碍物信号后，控制所述两轮差速伺服驱动模块驱动轮椅避开障碍物。