CN108791447A - 一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于分布式压力传感器的医用智能推车的控制方法，采用包括通过IMU惯性传感器、四轮独立驱动、独立转向控制系统，实现医用推车的独立控制转向与速度的智能控制，涉及医用推车技术领域。本发明包括步骤A选择工作模式；步骤B采集分布式柔性薄膜压力传感器的数据，经滤波、储存；判断施力方向和大小，并通过运动学分析运动意图，再通过分析作用时间长短来进行推车速度控制；命令判断施力者运动意图，控制相应电机进行工作；启动PID算法调整运行姿态到步骤H，分别检测医用推车运行姿态和施力者动作意图。本发明简单可靠，避免误操作发生危险，节省时间与人力，适应于医疗行业复杂环境条件下现场使用的医用智能推车控制更加人性化。

Description

一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法

技术领域

本发明涉及医用推车技术领域，具体指一种基于分布式柔性薄膜压力传感器分别检测医用推车运行姿态和施力者动作意图结合IMU惯性传感器，通过四轮独立驱动独立转向控制系统可以独立控制转向与速度的智能控制方法。

背景技术

目前医用推车的设计很大程度上还保留着传统的生产模式，对于医用推车的改进仅仅停留在机械上面的改进。据查，中国专利201620597906.0公布了一种基于转向系统的病人转运推车，主要有脚轮组件、底盘以及床体构成，其方向手柄控制推车的方向，不但节省了时间和人力，而且能够保证推车方向准确，减少病人躺卧在推车上时受到的影响。但是其转向与速度不能独立控制，使其在复杂环境倒车或者转弯运行时缺少灵活性且缺少智能化。又，中国专利201220571876.8公开一种可自动移动的医用推车，该推车为三轮推车，车架后底部两侧配置方向向前的两个后方车轮；在车架前方中部，配置有一个能以竖直方向为转轴旋转的前方车轮；车架的后置配置有方向盘，与方向盘连接的传动杆竖直方向配置在车架的后方。对于该发明，护士推动推车的时候只需旋转方向盘即可实现对推车方向的控制，简单实用。但该发明依然按照传统推车转弯运行，无法进行转向与转速的单独控制，不方便推车在复杂环境运行使用。如上所述，现有很多医用推车，如依靠人的推力驱动万向轮转动，推车推行时没有明确的方向，会出现推车乱转情况，推车速度依靠推力大小控制，在负载重量较大情况下非常耗力，尤其在复杂环境进行倒车或者转弯时控制不灵活，浪费时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法。

本发明医用智能推车，包括轮子、轮子支架、连接杆、推车主体、软垫、护栏架、推手、吊瓶支架等结构(如附图1所示)，特点在于：

所述轮子由轮毂电机与步进电机组成。轮毂电机一端与轮毂电机相连，减震器另一端通过轴承系统与步进电机相连，电位器装在轴承系统上。

所述轮子支架上设置电箱，位于推车主体的底端。电箱内装有驱动控制系统，驱动控制系统为执行驱动结构提供控制和驱动。

所述驱动控制系统包括嵌入式控制器1，轮毂电机驱动器，步进电机驱动器。电箱内设置有36V电动车专用锂电池。

所述电箱上面并且位于推车主体底端设置IMU惯性测量模块，其通过串口线与电箱内嵌入式控制器1连接。

所述轮子支架与推车主体通过连接杆连接，且连接杆通过推杆可以上下移动改变推车主体的高度。推车主体前端一侧放置有推杆，可以控制推车主体前端位置高度，提高病人卧躺舒服度。软垫放置于推车主体上，并且位于推车主体的上端。护栏架放置于推车主体上端前后两侧，推手安装于推车主体前侧护栏架上。

所述的推手左右两侧安装有黑色橡胶管，橡胶管上布满分布式柔性薄膜压力传感器。吊瓶支架安装在推车主体前侧护栏架一侧，其可以自由上下移动。在推车主体前侧护栏架上放置有急停开关与总电源开关。

在推车主体前侧护栏架上设置工控触摸屏平板电脑，工控触摸屏平板电脑后面并且位于推车主体前侧护栏架前面放置压力传感器采集电路板，工控触摸屏平板电脑与采集电路板和嵌入式控制器1通过串口线连接；同时嵌入式控制器1与嵌入式控制器2通过串口线连接。

所述的压力传感器采集电路板有嵌入式控制器2及5V电源组成。

本发明的医用智能推车具有以下技术特征：

(1)推车主体上设有专用的推手，应用时更加方便工作人员使力，同时该推手上安装有分布式柔性薄膜压力传感器，便于受力数据采集从而进行智能控制推车的方向与速度，客观上减少了工作人员或者节省了工作人员的体力。

(2)智能推车的采用4个轮毂电机与4个步进电机分别控制速度与方向，各个电机通过嵌入式控制器1单独控制，这样在转移病人时无论前进、后退、左转还是右转，工作人员都能根据实际的地理位置自由更改运行方向，利用转向与转速可以单独控制的优势，便于在复杂环境的转弯运行。同时推车上安装有减震器，以此减轻传统推车在改变方向时的震动。

(3)智能推车安装有IMU惯性测量模块，通过反馈值与设定的运行极限，有效避免工作人员误操作发生危险。

为了解决前述技术问题，基于压力分布传感器的智能医用推车控制方法，包括以下步骤：

A.通过工控触摸屏平板电脑选择工作模式；

B.嵌入式控制器2采集安装在推手上的分布式柔性薄膜压力传感器的数据，经滤波、储存；

C.设定医用推车的运动极限和每个运动意图的阈值范围；

D.通过分析压力作用时间长短控制推车速度大小，并通过运动学分析运动意图；

E.判断步骤D分析施力者运动意图的结果：

如果施力者的运动意图发生改变且未超过设定的运动极限，则控制推车做出相应的运行姿态改变；如果施力者运动意图未发生改变或者超过设定的运动极限，则控制推车不做动作改变，按照上一动作继续运行；

F.对步骤D获得的施力者运动意图，根据运动意图转换为数据命令：

如果选择工作模式1，直接继续步骤G；

如果选择工作模式2，数据命令经工控触摸屏平板电脑通过串口发送到嵌入式控制器1，并把运动意图显示于触摸屏上，嵌入式控制器1根据收到的命令判断施力者运动意图；

G.嵌入式控制器1根据施力者运动意图控制相应电机进行工作；电机接收嵌入式控制器1的运行命令后，启动PID算法调整运行姿态；

H.嵌入式控制器2每一间隔时间T，进行一次数据采集，实时接收分布式柔性薄膜压力传感器数据信号获得即时运动意图，重复步骤B、C、D、E、F、G。

其中分布式柔性薄膜压力传感器的电阻随压力的增大而减小，由下面公式求得：

其中，K为常数，R为分布式柔性薄膜压力传感器电阻，F为分布式柔性薄膜压力传感器所受压力大小。

所述步骤A工作模式有两种：工作模式1，嵌入式控制器2直接把压力信号数据串口传送到嵌入式控制器1，由嵌入式控制器1进行施力者的运动意图分析；

工作模式2，嵌入式控制器2把采集的压力信号数据串口传送到工控触摸屏平板电脑，由工控触摸屏平板电脑进行施力者的运动意图分析；

安装在电箱上的IMU惯性测量模块实时检测助力车姿态，IMU惯性测量模块把检测到的角速度信息与加速度信息反馈给嵌入式控制器1，并解算出对应的姿态，通过该辅助检测，避免误判发生危险。

对于压力信号的识别方法为：

左右手握在推手上，如果左手向后用力，右手向前用力，则表明运动意图为向左方向运行，如果左手按住推手前方用力，右手按住推手后方用力，则表明运动意图为向右方向运行；

如果左手按住推手后方用力，右手按住推手后方用力，则表明运动意图为向后方运行；如果左手按住推手前方用力，右手按住推手前方用力，则表明运动意图为向前运行；

同时通过检测推手左右两侧的压力差可以识别左右方向分别想要转动的角度。

通过检测压力作用时间识别想要的运动速度大小。

当检测推手单侧有压力或者双侧均没有压力时，保持上一运动状态继续运行。

如上所述，本发明医用智能推车，克服了现有的，依靠人的推力驱动万向轮转动，推车推行时没有明确的方向，会出现推车乱转情况，推车速度依靠推力大小控制，在负载重量较大情况下非常耗力，尤其在复杂环境进行倒车或者转弯时控制不灵活，浪费时间等情况。

附图说明

图1为本发明一种基于分布式传感器的医用智能推车结构示意图；

图中：1、轮毂电机；2、减震器；3、步进电机与电位器；

4、电箱，电箱上面放置IMU惯性测量模块，电箱内放置有4个轮毂电机驱动器和4个步进电机驱动器及嵌入式控制器1；

5、连接杆；6、推车主体与软垫；7、推杆；8、护栏架；9、压力信号采集电路板和嵌入式控制器2；10、工控触摸屏平板电脑；11、启动开关与急停开关；12、分布式柔性薄膜压力传感器与推手；13、上支架；14、吊瓶支架。其中，步进电机4个、轮毂电机4个。

图中：嵌入式控制器2采集电路板信号，工控触摸屏平板电脑用于接收压力信号并分析施力者运动意图显示当前运动意图。嵌入式控制器1通过接收工控触摸屏平板电脑传输的运动意图控制推车运行。

图2为本发明实施例医用智能推车施力示意图；

图中：推手两侧为黑色胶管，左右胶管前后均可以受力控制。根据受力效果不同，控制智能推车左右前后的运行；

图3为本发明实施例医用智能推车控制流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

本发明一种医用智能推车结构(如附图1所示)包括：1、轮毂电机；2、减震器；3、步进电机与电位器；4、电箱，电箱上面放置IMU惯性测量模块，电箱内放置有4个轮毂电机驱动器和4个步进电机驱动器及嵌入式控制器1；5、连接杆；6、推车主体与软垫；7、推杆；8、护栏架；9、压力信号采集电路板和嵌入式控制器2；10、工控触摸屏平板电脑；11、启动开关与急停开关；12、分布式柔性薄膜压力传感器与推手；13、上支架；14、吊瓶支架。

其中，步进电机4个、轮毂电机4个。

在医用智能推车推手上安装分布式柔性薄膜压力传感器。分布式柔性薄膜压力传感器可以检测工作人员的施力大小和方向。通过工控触摸屏平板电脑选择工作模式，嵌入式控制器2对于分布式柔性薄膜压力传感器的输出数据进行采集。对采集后的数据进行分析判断，根据数据结果分析工作人员的运动意图，并把运动意图通过串口发送给嵌入式控制器1，嵌入式控制器1根据运动意图发送命令给八个电机，根据运动学和PID算法控制推车的运行，从而达到推车智能省力且能灵活运行的效果。

医用智能推车的推手高度可以调节，这样可以方便工作人员根据个人身高调整高度。

分布式柔性薄膜压力传感器布满推手黑色橡胶管上，当人在推手上施力时，施力的位置不同采集到的压力方向也不同，比如左右手握在推手上，如果左手向后用力，右手向前用力，则表明运动意图为向左方向运行，如果左手按住推手前方用力，右手按住推手后方用力，则表明运动意图为向右方向运行；如果左手按住推手后方用力，右手按住推手后方用力，则表明运动意图为向后方运行；如果左手按住推手前方用力，右手按住推手前方用力，则表明运动意图为向前运行；同时通过检测推手左右两侧的压力差可以识别左右方向分别想要转动的角度(如附图2所示)。

通过检测压力作用时间识别想要的运动速度大小。当检测推手单侧有压力或者双侧均没有压力时，保持上一运动状态继续运行。工控触摸屏平板电脑通过接收的数据分析运动意图，并把运动意图发送到嵌入式控制器1从而控制推车运行。由于推车采用的是四轮独立驱动与独立转向控制系统，这样在侧方横向行驶或者窄路转弯行驶过程中，可以较为平稳方便的运行，运行更加灵活。

推车的电箱上安装IMU惯性测量模块，IMU惯性测量模块把测量值反馈给嵌入式控制器1，通过对比工控触摸屏平板电脑识别的工作人员运动意图及设置的运行极限，防止工作人员误操作，从而避免发生危险。

本发明一种基于压力分布传感器的智能医用推车控制方法(如附图3所示)，包括以下步骤：

A.通过工控触摸屏平板电脑选择工作模式；

B.嵌入式控制器2采集安装在推手上的分布式柔性薄膜压力传感器的数据，经滤波、储存；

C.设定医用推车的运动极限和每个运动意图的阈值范围；

D.通过分析压力作用时间长短控制推车速度大小，并通过运动学分析运动意图；

E.判断步骤D分析施力者运动意图的结果：

如果施力者的运动意图发生改变且未超过设定的运动极限，则控制推车做出相应的运行姿态改变；如果施力者运动意图未发生改变或者超过设定的运动极限，则控制推车不做动作改变，按照上一动作继续运行；

F.对步骤D获得的施力者运动意图，根据运动意图转换为数据命令：

如果选择工作模式1，直接继续步骤G；

如果选择工作模式2，数据命令经工控触摸屏平板电脑通过串口发送到嵌入式控制器1，并把运动意图显示于触摸屏上，嵌入式控制器1根据收到的命令判断施力者运动意图；

G.嵌入式控制器1根据施力者运动意图控制相应电机进行工作；电机接收嵌入式控制器1的运行命令后，启动PID算法调整运行姿态；

H.嵌入式控制器2每一间隔时间T，进行一次数据采集，实时接收分布式柔性薄膜压力传感器数据信号获得即时运动意图，重复步骤B、C、D、E、F、G。

其中分布式柔性薄膜压力传感器的电阻随压力的增大而减小，由下面公式求得：

其中，K为常数，R为分布式柔性薄膜压力传感器电阻，F为分布式柔性薄膜压力传感器所受压力大小。

所述步骤A工作模式有两种：工作模式1，嵌入式控制器2直接把压力信号数据串口传送到嵌入式控制器1，由嵌入式控制器1进行施力者的运动意图分析；

工作模式2，嵌入式控制器2把采集的压力信号数据串口传送到工控触摸屏平板电脑，由工控触摸屏平板电脑进行施力者的运动意图分析；

安装在电箱上的IMU惯性测量模块实时检测助力车姿态，IMU惯性测量模块把检测到的角速度信息与加速度信息反馈给嵌入式控制器1，并解算出对应的姿态，通过该辅助检测，避免误判发生危险。

综上所述，本发明有益效果：

1.通过采集分布式柔性薄膜压力传感器的数据，分析力的大小、方向及作用时间，再结合运动学得出工作人员的运动意图。而IMU惯性测量模块的辅助检测，避免误判断而发生危险。

2.推车的运动控制采用四轮驱动转向与独立驱动控制系统，其通过控制8个电机的运行，结合PID算法控制推车的前进、后退、左转、右转等运行姿态，使用更加方便。推手上放置分布式柔性薄膜压力传感器，通过识别运动意图控制推车行走的方法更加智能化和人性化。

3.推车结构简单可靠，避免误操作发生危险，节省时间与人力，适应于医疗单位复杂环境条件下现场使用的医用智能推车控制更加人性化。为医疗行业的医用智能推车提供坚实的技术物质基础。

Claims (7)

1.一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.通过工控触摸屏平板电脑选择工作模式；

B.控制器2采集安装在推手上的分布式柔性薄膜压力传感器的数据，经滤波、储存；

C.设定医用推车的运动极限和每个运动意图的阈值范围；

D.通过分析压力作用时间长短控制推车速度大小，并通过运动学分析运动意图；

E.判断步骤D分析施力者运动意图的结果：

如果施力者的运动意图发生改变且未超过设定的运动极限，则控制推车做出相应的运行姿态改变；

如果施力者运动意图未发生改变或者超过设定的运动极限，则控制推车不做动作改变，按照上一动作继续运行；

F.对步骤D获得的施力者运动意图，根据运动意图转换为数据命令：

如果选择工作模式1，直接继续步骤G；

如果选择工作模式2，数据命令经工控触摸屏平板电脑通过串口发送到控制器1，并把运动意图显示于触摸屏上，控制器1根据收到的命令判断施力者运动意图；

G.控制器1根据施力者运动意图控制相应电机进行工作；

电机接收控制器1的运行命令后，启动PID算法调整运行姿态；

H.控制器2每一间隔时间T，进行一次数据采集，实时接收分布式柔性薄膜压力传感器数据信号获得即时运动意图，重复步骤B、C、D、E、F、G。

2.如权利要求1所述的一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，所述步骤A有两种工作模式：

工作模式1，控制器2直接把压力信号数据串口传送到控制器1，由控制器1进行施力者的运动意图分析；

工作模式2，控制器2把采集的压力信号数据串口传送到工控触摸屏平板电脑，由工控触摸屏平板电脑进行施力者的运动意图分析。

3.如权利要求1所述的一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，所述步骤B的分布式柔性薄膜压力传感器的数据信号的电阻，随压力的增大而减小，按公式求得：

其中，K为常数，R为分布式柔性薄膜压力传感器电阻，F为分布式柔性薄膜压力传感器所受压力大小。

4.如权利要求1所述的一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，所述步骤C的设定运动极限：

医用推车的最大转速不得超过300rpm；

当前运动意图的方向与前一运动意图的方向差不得超过90度；

当前运动意图的速度与前一种运动意图转速差不得超过50rpm；

所述设定每个运动意图的阈值范围：

推手两侧压力差临界值为F0，F1，F2且F0＜F1＜F2，当推手当前两侧所受压力差α为：F0＜α＜F1，下一刻检测到的压力差β为：F0＜β＜F1时，默认运动意图不发生改变，如果F1＜β＜F2时，则代表运动意图发送一次改变。

5.如权利要求1所述的一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，通过安装在电箱上的IMU惯性测量模块把检测到的角速度信息与加速度信息反馈给控制器1，并解算出对应的姿态。

6.如权利要求1所述的一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，所述步骤D的分布式柔性薄膜压力传感器的压力数据信号的识别方法为：

左右手握在推手上，如果左手向后用力，右手向前用力，则表明运动意图为向左方向运行；

如果左手按住推手前方用力，右手按住推手后方用力，则表明运动意图为向右方向运行；

如果左手按住推手后方用力，右手按住推手后方用力，则表明运动意图为向后方运行；

如果左手按住推手前方用力，右手按住推手前方用力，则表明运动意图为向前运行；

同时，通过检测推手左右两侧的压力差，识别左右方向分别想要转动的角度；

通过检测压力作用时间识别想要的运动速度大小，当检测推手单侧有压力或者双侧均没有压力时，保持上一运动状态继续运行。

7.如权利要求1所述的一种基于分布式传感器的医用智能推车的控制方法，其特征在于，所述步骤H控制器2对分布式柔性薄膜压力传感器数据采集时间T为239.5个AD时钟周期。