CN110840674B - 一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法 - Google Patents

一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本公开公开一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法，行走装置包括第一驱动轮、第二驱动轮以及连接第一驱动轮和第二驱动轮的连接杆；驱动装置包括设置在底座上的第一驱动电机、第二驱动电机、两个大齿轮和两个小齿轮；两个小齿轮分别安装在所述第一驱动电机和第二驱动电机的输出轴上，两个大齿轮分别固定安装在连接杆上；所述小齿轮与所述大齿轮相啮合，在驱动电机运转时，电机输出轴转动，带动大齿轮和小齿轮同时转动，使得连接杆沿轴线自由转动，从而带来两个驱动轮转动。采用的是双电机驱动，能够有效地减少医护人员的不必要的劳动，节约医疗资源；有效地降低医用成本，减轻病人在搬动过程中的痛苦，提高就医的及时性和有效性。

Description

一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法
技术领域
本公开涉及移动控制技术领域，具体涉及一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法。
背景技术
在当今社会中，医疗资源非常匮乏，往往医院的医护人员数量并不能满足现在病人的需要。并且随着现代社会的快速发展，人们对医疗设备的要求也在不断地提高。传统上，医院里的病床一般是不可移动的，这就需要通过医护人员采用专门的转移病床来搬动病人于各病房之间。医院采用此类病床会加大医护人员的劳动力，造成医疗资源的浪费。
随着电机技术的不断发展，电机驱动装置越来越多的应用于人们的日常生活中去。电机驱动装置具有操作性简单，成本低的特点。但发明人在研发过程中发现，目前将电机驱动与病床结合在一起的应用还未出现，导致病人在搬动过程中还需要人工操作，还会对病人造成不必要的痛苦。并且，现有的可移动病床常采用普通的控制算法，还存在工作效率低以及准确度低的不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法，采用双电机驱动病床，驱动系统采用专家系统数据库控制病床移动，且结合双轮差速控制算法控制病床转弯，实现对病床的驱动控制，提升可移动病床的工作效率以及准确度，使其更加智能化。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供一种双电机驱动的可移动病床，包括底座、设置在底座前端的驱动装置、设置在底座前端和后端的行走装置以及控制装置；
所述行走装置包括第一驱动轮、第二驱动轮以及连接第一驱动轮和第二驱动轮的连接杆；
所述驱动装置包括设置在底座上的第一驱动电机、第二驱动电机、两个大齿轮和两个小齿轮；两个小齿轮分别安装在所述第一驱动电机和第二驱动电机的输出轴上，两个大齿轮分别固定安装在连接杆上；
所述控制装置连接第一驱动电机和第二驱动电机，控制两个驱动电机工作；
所述小齿轮与所述大齿轮相啮合，在驱动电机运转时，电机输出轴转动，带动大齿轮和小齿轮同时转动，使得连接杆沿轴线自由转动，从而带来两个驱动轮转动。
作为可能的一些实现方式，所述控制装置包括开关、控制器、变频器和距离传感器，
所述控制器连接开关、第一驱动电机、第二驱动电机、变频器和距离传感器，控制器采用两轮差速控制算法产生控制信号，传输给变频器，通过变频器控制两个驱动电机的转速，实现可移动病床的前进、左转和右转控制。
作为可能的一些实现方式，所述距离传感器，用于在设定的移动距离下，实时检测已移动的距离以及剩余移动距离；通过获取的病床移动距离输入到控制器，由控制器产生控制信号传输到变频器，通过负反馈回路，在变频器控制驱动电机转速时，距离传感器对移动距离进行实时检测。
作为可能的一些实现方式，所述第一驱动电机控制位于可移动病床前端左侧的第一驱动轮，第二驱动电机控制位于可移动病床前端右侧的第二驱动轮；
控制器根据接收的病床移动距离，变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机同时启动，采用专家系统控制算法，控制病床在直线运动时，距离传感器实时检测移动距离，实现病床停在指定位置处；
通过给定控制器的转弯信号，采用两轮差速控制算法产生控制转弯信号，由变频器接收控制转弯信号，以控制第一驱动电机和第二驱动电机的转动速度；
作为可能的一些实现方式，所述两轮差速控制算法：
通过驱动电机接口输出的角转速和驱动轮半径关系求得第一驱动轮和第二驱动轮对应线速度；
根据线速度求得第一驱动轮和第二驱动轮转弯时的瞬时速度以及角速度；
通过转弯时的瞬时速度以及角速度求得可移动病房的驱动轮的转动半径。
作为可能的一些实现方式，所述控制器包括知识库模块、推理机模块以及解释机模块；
所述知识库模块，用于建立电机驱动系统的网络拓扑结构，使用框架表示法来描述拓扑结构，得到框架式电机驱动拓扑结构；采用产生式规则对控制病床移动进行描述，得到产生式病床移动规则；
所述推理机模块，用于将用户输入的病床的移动距离和移动速度与知识库模块中框架式电机驱动拓扑结构和产生式病床移动规则进行一一匹配，得到完全配对的病床移动规则；
所述解释机模块，用于将完全配对的信息反馈给变频器，通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机，从而控制可移动病床移动。
作为可能的一些实现方式，所述控制器还包括人机交互模块和数据库模块，
所述人机交互模块，用于获取用户输入的病床的移动距离和移动速度信息；由推理机模块载入到数据库模块中，
所述数据库模块，用于存储用户输入的病床的移动距离和移动速度信息、模糊化规则表和完全配对的病床移动规则。
作为可能的一些实现方式，所述模糊化规则表为：
将病床所需移动的距离划分为多个模糊集，以最远模糊距离为基准，以停在目标区域为目标设定移动速度；
在最远模糊距离下，设定最远模糊距离的前1/2距离驱动轮以匀速进行，后1/2距离，控制驱动轮做匀减速运动，直到正好停在目标区域；
在其他模糊距离下，可移动病床的初速度设定一致，匀减速的斜率与最远模糊距离下的速度设定一致，然后实际移动距离、剩余移动距离以及移动速度控制病床在其他模糊距离的后1/2距离下做匀减速值，直到正好停在目标区域，记录每一个模糊距离的速度设定，制作模糊化规则表导入到的数据库模块的综合数据库里。
第二方面，本公开提供一种双电机驱动的可移动病床的工作方法，该方法包括以下步骤：
获取用户输入的病床移动距离和移动速度信息；
建立电机驱动系统的网络拓扑结构，使用框架表示法来描述拓扑结构，得到框架式电机驱动拓扑结构；采用产生式规则对控制病床移动进行描述，得到产生式病床移动规则；
将用户输入的病床的移动距离和移动速度与框架式电机驱动拓扑结构和产生式病床移动规则进行一一匹配，得到完全配对的病床移动规则；
存储用户输入的病床的移动距离和移动速度信息、模糊化规则表和完全配对的病床移动规则，将完全配对的信息反馈给变频器，通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机，从而控制病床移动。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开采用双电机驱动病床，可以随时停止其运动，有效地降低成本，节省大量的人力物力财力，减轻病人在搬动过程中的痛苦，提高就医的及时性和有效性；
(2)本公开采用两轮差速控制算法和专家系统控制算法，实现对病床的驱动控制，提升可移动病床的工作效率以及准确度，使其更加智能化。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一提供的双电机驱动的可移动病床结构图；
图2是实施例一提供的电机与驱动轮的连接装置的主视图；
图3是实施例一中电机控制算法框架图；
图4是实施例一中控制器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供一种双电机驱动的可移动病床，请参阅附图1，该可移动病床包括床板1、底座2、固定支架3、两个相对设置在底座前端的驱动装置、设置在底座前端和后端的行走装置以及控制装置11。
具体地，所述底座2的四个角处分别设置有固定支架3，所述床板1固定设置在四个固定支架3的顶端；
所述行走装置包括分别设置在底座前端和后端的第一驱动轮9、第二驱动轮10以及连接第一驱动轮9和第二驱动轮10的连接杆8；
所述驱动装置安装在底座的前端，其包括设置在底座2上的第一驱动电机4、第二驱动电机5、两个大齿轮7和两个小齿轮6；两个小齿轮6分别安装在所述第一驱动电机4和第二驱动电机5的输出轴上，两个大齿轮7分别固定安装在连接杆8上，所述小齿轮6与所述大齿轮7相啮合，在驱动电机运转时，电机输出轴转动，带动大齿轮和小齿轮同时转动，使得连接杆8沿轴线自由转动，从而带来两个驱动轮转动；
所述控制装置11连接第一驱动电机4和第二驱动电机5，控制两个驱动电机工作。
在本实施例中，所述控制装置11包括开关、控制器、变频器和距离传感器，所述控制器连接开关、第一驱动电机4、第二驱动电机5、变频器和距离传感器，控制器采用两轮差速控制算法产生控制信号，传输给变频器，通过变频器控制两个驱动电机的转速，实现可移动病床的前进、左转和右转控制；所述开关，用于启动和停止电机的运转，可随时启动和停止病床的移动；
所述距离传感器，用于在设定的移动距离下，实时检测已移动的距离以及剩余移动距离；通过获取的病床移动距离输入到控制器，由控制器产生控制信号传输到变频器，通过负反馈回路，在变频器控制驱动电机转速时，距离传感器对移动距离进行实时检测。
本实施例提出的可移动病床是由第一驱动电机4和第二驱动电机5驱动，无需人工推动。第一驱动电机4控制位于病床前端左侧的第一驱动轮9，第二驱动电机5控制位于病床前端右侧的第二驱动轮10；
当病床需要前进时，控制器根据接收的病床移动距离，变频器控制第一驱动电机4和第二驱动电机5同时启动，采用专家系统控制算法，控制病床在直线运动时，距离传感器实时检测移动距离，实现病床停在指定位置处；
当病床需要左转时，通过给定控制器的左转弯信号，采用两轮差速控制算法产生控制左转弯信号，由变频器接收控制左转弯信号控制第一驱动电机4转动速度变小，第二驱动电机5转动速度变大；
当病床需要右转时，通过给定控制器的右转弯信号，采用两轮差速控制算法产生控制右转弯信号，由变频器接收控制右转弯信号控制第二驱动电机5转动速度小，第一驱动电机4转动速度变大。
在本实施例中，所述两轮差速控制算法的具体实现如下：
设第一驱动轮和第二驱动轮的中心分别为Wl和Wr，且对应线速度为Vl和Vr，该值可以通过电机驱动接口输出的角转速ωl、ωr和驱动轮半径r求得，即：
Vl＝r*ωl
令两个驱动轮中心连线的中点为C，C点在大地坐标系XOY下坐标为(x,y)，病床的瞬时速度为Vc，则病床器的姿态角θ即为Vc与X轴夹角。此时，病床位姿信息可用矢量P＝[x,y,θ]T表示。病床的后轮做同轴圆周运动，左右轮角速度相同ω1＝ω2＝ωc，到旋转中心的半径不同。瞬时速度为Vc可以表示为：
Vc＝(Vr+Vl)/2
令Wl和Wr的距离为l，且病床转动中心为Oc，转动半径即为C到Oc的距离R，则病床转弯时的角速度ω可以表示为：
ωC＝(Vr-Vl)/2
联立两式，利用Vl和Vr求出病床的转动半径：
Figure BDA0002282979850000081
当Vl>Vr时，病床做右转弯运动；当Vl<Vr时，病床做左转弯运动；当Vl＝Vr时，病床做直线运动，当Vl＝-Vr时，病床以左右轮中心点做原地旋转。
在驱动轮与地面接触运动为纯滚动无滑动情况下，机器的运动学模型可以表示为：
Figure BDA0002282979850000082
其中，Vl和Vr为第一驱动轮和第二驱动轮的对应线速度，l为驱动轮的前进距离。
在本实施例中，所述控制器包括数据库模块、知识库模块、推理机模块、解释机模块和人机交互模块，其中：
所述人机交互模块，用于获取用户输入的病床的移动距离和移动速度信息；
所述知识库模块，用于建立电机驱动系统的网络拓扑结构，使用框架表示法来描述拓扑结构，得到框架式电机驱动拓扑结构；采用产生式规则对控制病床移动进行描述，得到产生式病床移动规则；
所述推理机模块，用于将用户输入的病床的移动距离和移动速度信息载入到数据库模块，再将用户输入的病床的移动距离和移动速度与知识库模块中框架式电机驱动拓扑结构和产生式病床移动规则进行一一匹配，将完全配对的病床移动规则作为新的事实添加到数据库模块中；
所述数据库模块，用于存储用户输入的病床的移动距离和移动速度信息、模糊化规则表和完全配对的病床移动规则。
所述解释机模块，用于将完全配对的信息反馈给变频器，通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机，从而控制病床移动。
其工作原理是：医护人员使用人机交互模块将病床的移动距离和移动速度输入到专家系统，推理机模块载入规则并与知识库模块中的知识相匹配，将完全配对的信息送入到综合数据库模块中，再通过解释机模块反馈给电机，从而使病床移动。
其中，知识库与推理机是互相分离的，这也是专家系统区别于其他传统程序的区别。知识库存储专家系统的各类病床移动规则，而推理机将输入的距离和速度数据与知识库中的知识进行对比从而得出结论。
本专家系统的知识的表示采用的是框架式和产生式相结合的方法。首先建立电机驱动系统的网络拓扑结构，再使用框架表示法来描述拓扑结构。在通过输入距离和速度数据来驱动电机、控制病床移动的过程中，本系统采用的是产生式规则对控制移动进行描述，产生式规则通常可表示为IF P THEN Q<CF>,其中P和Q分别对应规则的前提和结论，CF表示置信度，置信度用于进行不精确推理。
本系统专家的推理机制使用正向推理的方法。专家系统将已知的距离和速度载入到综合数据库里，再与知识库中诊断规则进行逐一配对，将成功匹配到的规则的结论作为新的事实添加到综合数据库中，运用更新后的数据库再次进行匹配，直到得到的结论或者没有新知识的加入。
在本实施例中，基于专家系统数据库的双电机驱动系统中的模糊化规则控制方法为：
将病床所需移动的距离划分为5个模糊集：远(d5)，较远(d4)，正常(d3)，较近(d2)，近(d1)。将远距离(d5)作为基准；
在模糊距离d5下，设定距离d5的前1/2距离驱动轮以匀速V5进行，后1/2距离，控制驱动轮做匀减速运动，直到正好停在目标区域；
在其他距离下，如在模糊距离d4下，若使得病床能停在目标区域，即病床的初速度都设定一致，匀减速的斜率也与d5下的速度设定是一致的，然后实际移动距离、剩余移动距离以及移动速度控制病床在d4距离的后1/2距离下做匀减速值，直到正好停在目标区域；
依次类推出其他模糊集d3，d2以及d1的速度设定；
然后将制作出的模糊化规则表导入到的数据库模块的综合数据库里。
在本实施例中，产生式规则通常可表示为：
IF P THEN Q<CF>,
其中，P和Q分别对应规则的前提和结论，CF表示置信度，置信度用于进行不精确推理。
在本实施例中，所述第一驱动轮9和第二驱动轮10的外侧安装有脚踩式固定卡，固定卡可以自由伸缩，在不需要移动病床的时候放下来，起到固定病床移动的作用。在需要移动病床的时候提上去，起到自由移动病床的作用。
在本实施例中，所述床板1与底座2之间以四根固定支架3固定连接，所述固定支架3材料采用金属材质，连接处以金属焊接的方式加以固定。
在本实施例中，所述第一驱动电机4和第二驱动电机5串联，并与控制装置连接。该控制装置上设置有开关，该开关就安装在床板一侧的边缘处，方便操作人员和病人自己开启和关闭电机。
实施例二
本实施例提供一种双电机驱动的可移动病床的工作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：获取用户输入的病床移动距离和移动速度信息，
步骤2：建立电机驱动系统的网络拓扑结构，使用框架表示法来描述拓扑结构，得到框架式电机驱动拓扑结构；采用产生式规则对控制病床移动进行描述，得到产生式病床移动规则；
步骤3：将用户输入的病床的移动距离和移动速度与框架式电机驱动拓扑结构和产生式病床移动规则进行一一匹配，得到完全配对的病床移动规则；
步骤4：存储用户输入的病床的移动距离和移动速度信息、模糊化规则表和完全配对的病床移动规则，将完全配对的信息反馈给变频器，通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机，从而控制病床移动。
所述该方法的可移动病床采用双电机驱动，双电机之间的驱动联系依靠齿轮驱动；
所述该方法通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机实现转向需求采用两轮差速算法；
所述该方法采用专家系统数据库，以实现使用人员在输入距离和速度的设定值时，使该病床能够移动到指定地点，采用模糊化规则，使病床能够更加准确地停放在指定地点。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，包括底座、设置在底座前端的驱动装置、设置在底座前端和后端的行走装置以及控制装置；
所述行走装置包括第一驱动轮、第二驱动轮以及连接第一驱动轮和第二驱动轮的连接杆；
所述驱动装置包括设置在底座上的第一驱动电机、第二驱动电机、两个大齿轮和两个小齿轮；两个小齿轮分别安装在所述第一驱动电机和第二驱动电机的输出轴上，两个大齿轮分别固定安装在连接杆上；
所述控制装置连接第一驱动电机和第二驱动电机，控制两个驱动电机工作；
所述小齿轮与所述大齿轮相啮合，在驱动电机运转时，电机输出轴转动，带动大齿轮和小齿轮同时转动，使得连接杆沿轴线自由转动，从而带来两个驱动轮转动；
所述控制装置包括开关、控制器、变频器和距离传感器；
所述控制器包括知识库模块、推理机模块以及解释机模块；
所述知识库模块，用于建立电机驱动系统的网络拓扑结构，使用框架表示法来描述拓扑结构，得到框架式电机驱动拓扑结构；采用产生式规则对控制病床移动进行描述，得到产生式病床移动规则；
所述推理机模块，用于将用户输入的病床的移动距离和移动速度与知识库模块中框架式电机驱动拓扑结构和产生式病床移动规则进行一一匹配，得到完全配对的病床移动规则；
所述解释机模块，用于将完全配对的信息反馈给变频器，通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机，从而控制可移动病床移动。
2.如权利要求1所述的一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，
所述控制器连接开关、第一驱动电机、第二驱动电机、变频器和距离传感器，控制器采用两轮差速控制算法产生控制信号，传输给变频器，通过变频器控制两个驱动电机的转速，实现可移动病床的前进、左转和右转控制。
3.如权利要求1所述的一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，
所述距离传感器，用于在设定的移动距离下，实时检测已移动的距离以及剩余移动距离；通过获取的病床移动距离输入到控制器，由控制器产生控制信号传输到变频器，通过负反馈回路，在变频器控制驱动电机转速时，距离传感器对移动距离进行实时检测。
4.如权利要求1所述的一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，
所述第一驱动电机控制位于可移动病床前端左侧的第一驱动轮，第二驱动电机控制位于可移动病床前端右侧的第二驱动轮；
控制器根据接收的病床移动距离，变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机同时启动，采用专家系统控制算法，控制病床在直线运动时，距离传感器实时检测移动距离，实现病床停在指定位置处；
通过给定控制器的转弯信号，采用两轮差速控制算法产生控制转弯信号，由变频器接收控制转弯信号，以控制第一驱动电机和第二驱动电机的转动速度。
5.如权利要求4所述的一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，
所述两轮差速控制算法：
通过驱动电机接口输出的角转速和驱动轮半径关系求得第一驱动轮和第二驱动轮对应线速度；
根据线速度求得第一驱动轮和第二驱动轮转弯时的瞬时速度以及角速度；
通过转弯时的瞬时速度以及角速度求得可移动病房的驱动轮的转动半径。
6.如权利要求1所述的一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，
所述控制器还包括人机交互模块和数据库模块，
所述人机交互模块，用于获取用户输入的病床的移动距离和移动速度信息；由推理机模块载入到数据库模块中，
所述数据库模块，用于存储用户输入的病床的移动距离和移动速度信息、模糊化规则表和完全配对的病床移动规则。
7.如权利要求6所述的一种双电机驱动的可移动病床，其特征在于，
所述模糊化规则表为：
将病床所需移动的距离划分为多个模糊集，以最远模糊距离为基准，以停在目标区域为目标设定移动速度；
在最远模糊距离下，设定最远模糊距离的前1/2距离驱动轮以匀速进行，后1/2距离，控制驱动轮做匀减速运动，直到正好停在目标区域；
在其他模糊距离下，可移动病床的初速度设定一致，匀减速的斜率与最远模糊距离下的速度设定一致，然后实际移动距离、剩余移动距离以及移动速度控制病床在其他模糊距离的后1/2距离下做匀减速值，直到正好停在目标区域，记录每一个模糊距离的速度设定，制作模糊化规则表导入到的数据库模块的综合数据库里。
8.一种双电机驱动的可移动病床的工作方法，其特征在于，包括：
获取用户输入的病床移动距离和移动速度信息；
建立电机驱动系统的网络拓扑结构，使用框架表示法来描述拓扑结构，得到框架式电机驱动拓扑结构；采用产生式规则对控制病床移动进行描述，得到产生式病床移动规则；
将用户输入的病床的移动距离和移动速度与框架式电机驱动拓扑结构和产生式病床移动规则进行一一匹配，得到完全配对的病床移动规则；
存储用户输入的病床的移动距离和移动速度信息、模糊化规则表和完全配对的病床移动规则，将完全配对的信息反馈给变频器，通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机，从而控制病床移动。
9.如权利要求8所述的一种双电机驱动的可移动病床的工作方法，其特征在于，
可移动病床采用双电机驱动，双电机之间的驱动联系依靠齿轮驱动；
采用专家系统数据库，以实现使用人员在输入距离和速度的设定值时，使该病床能够移动到指定地点，采用模糊化规则，使病床能够更加准确地停放在指定地点；
通过变频器控制第一驱动电机和第二驱动电机实现转向需求采用两轮差速算法。
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