CN106137619A - 一种单核双轮两轴自动电动病床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单核双轮两轴自动电动病床，包括：床架、立架、床板本体、转轴、支架、驱动单元、滑轮。通过上述方式，本发明一种单核双轮两轴自动电动病床，不仅可以用作座椅和病床，而且还可以进行自动控制，提高了病床的平稳性、安全性和多功能性，方便用户的使用。

Description

一种单核双轮两轴自动电动病床

技术领域

本发明涉及机械设备领域，特别是涉及一种单核双轮两轴自动电动病床。

背景技术

医用病床系统是一种用于医院病房内提供承载患者的设备。目前发达国家医院中使用的医用病床基本上全部自动化，家庭病床、社区医院病床也已经使用多功能电动床。部分医用病床可以通过外力改变形状达到辅助调整患者体位的目的，其中有些附件具有促进患者康复的效果；可控制电动病床是相对高级的自动化产品，具有省时省力的优点。由于电控制的特点，控制键可以安装在任何允许病床接受到信号的范围内，提高了控制的自由度。通过附件升级，还可以实现权限分配。电动驱动产品精度更高，便于流水线作业，已作为ICU重症监护室、手术室、造影室等中使用的特种医用病床。

我国在医用电动病床领域的研究开发相对滞后，整体水平不高，现国内各级医院均是采用普通的机械病床：由床腿、床体和床面组成。为了移动方便移动，一般均在床腿上设置机械滚动滑轮；为了方便病人坐起，均在床头部分设置机械手动摇起装置。对于这类型病床，一般均需要护理人员帮助，很难独自完成，同时病床功能单一，实用性能不强。

长时间运行发现存在着很多安全隐患和不便，即：

（1）现有的部分病床通过四个固定站脚与地面接触起到支撑作用，病人均被固定在某一个封闭的环境中，随着病人长时间的住院，对病人的身心造成了极大的伤害。

（2）虽然部分病床把固定站脚改为了机械万向轮，可以通过医护人员移动病床到某个空间，但是由于病床移动随意性较大，有时候会出现误操作，甚至有时候会伤害到病人。

（3）随着现代人类生活质量的增加，肥胖病人大量增加，而护士人员一般又都比较瘦小，通过机械万向轮移动病人使得护士人员非常吃力，加重了劳动强度。

（4）随着老龄化的加重，大量的老人也加重了对病床的需求，现在的护工人员又比较少，基于机械万向轮的病床加重了护工人员的劳动强度。

（5）所有的机械病床一般均固定在某个位置，一旦需要移动或者变换方向均需要外部人员完成，加重了护工人员的劳动量。

（6）现在的机械病床即使可以通过外力通过病房门口被推到外部环境中，由于人为操作的自动化程度比较低，通过病房门口都需要点时间调整病床的姿态才可以通过。

（7）现在的机械病床即使可以通过机械万向轮的支撑到达病房以外的环境，在调节了病人身心的同时，也加大了护工人员的劳动量，特别是通过爬坡的地方时，对护工人员的体力提出了更高的要求。

（8）虽然单轮驱动的电动病床可以很好的满足对病床速度和方向的解耦，但是单轮驱动的行走电机功率较大，有时候会造成大马拉小车的现象出现。

（9）由于单轮驱动的电动病床动力与地面的接触点只有一个，造成人为很难精确控制其移动的方向，轻微的一点干扰就能造成较大的方向改变。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种单核双轮两轴自动电动病床，具有可靠性能高、定位精确、结构紧凑等优点，同时在机械设备的应用及普及上有着广泛的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

提供一种单核双轮两轴自动电动病床，其包括：床架、立架、床板本体、转轴、支架、驱动单元、滑轮，

所述床架包括上架体、下架体、伸缩连接杆，所述上架体通过若干所述伸缩连接杆与所述下架体相连接，所述支架所述伸缩连接杆上，所述转轴旋转连接于所述支架上，

所述床板本体包括第一板体、第二板体和第三板体，所述第一板体和所述第三板体分别通过连接轴活动设置于所述第二板体的两侧，所述第二板体设置于所述转轴上，

所述立架设置于所述床架的两端，所述滑轮设置于所述床架的底部，

所述驱动单元包括ARM控制器、两轴直流无刷伺服电机、驱动器、障碍监测器、湿度监测器，所述障碍监测器设置于所述床架上，所述湿度监测器设置于所述床板本体上，所述两轴直流无刷伺服电机分别与所述驱动器、所述滑轮、所述转轴、所述第一板体和所述第三板体相连接，所述ARM控制器与所述驱动器和所述障碍监测器相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述伸缩连接杆可拆卸连接于所述上架体、所述下架体。

在本发明一个较佳实施例中，所述支架与所述伸缩连接杆为可拆卸连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述病床控制单元包括监控传感器、导航传感器、人机界面、蓄电池，所述DSP控制器分别与所述监控传感器、所述人机界面单元、所述蓄电池相连接。

本发明的有益效果是：不仅可以用作座椅和病床，而且还可以进行自动控制，提高了病床的平稳性、安全性和多功能性，方便用户的使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的一种单核双轮两轴自动电动病床一较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明基于无线控制 DSP的单轮驱动医用病床原理图；

图3为本发明无线控制单核单轮驱动电动病床程序框图；

图4为无线控制单核单轮驱动电动病床运动原理框图；

图5为单核单轮驱动电动病床通过病房门口自动导航原理图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明实施例包括：

一种单核双轮两轴自动电动病床，其包括：床架、立架3、床板本体、转轴4、支架5、驱动单元、滑轮6，当床拉伸出去的时候可以用作病床，当床板本体旋转后，可以用作座椅。

所述床架包括上架体1、下架体2、伸缩连接杆7，所述上架体通过若干所述伸缩连接杆与所述下架体相连接，所述支架所述伸缩连接杆上，所述转轴旋转连接于所述支架上。

所述床板本体包括第一板体8、第二板体9和第三板体10，所述第一板体和所述第三板体分别通过连接轴活动设置于所述第二板体的两侧，所述第二板体设置于所述转轴上。

所述立架设置于所述床架的两端，所述滑轮设置于所述床架的底部。

所述驱动单元包括ARM控制器（STM32F407）、两轴直流无刷伺服电机、驱动器、障碍监测器、湿度监测器，所述障碍监测器设置于所述床架上，所述湿度监测器设置于所述床板本体上，所述两轴直流无刷伺服电机分别与所述驱动器、所述滑轮、所述转轴、所述第一板体和所述第三板体相连接，所述ARM控制器与所述驱动器和所述障碍监测器相连接。

所述伸缩连接杆可拆卸连接于所述上架体、所述下架体。

所述支架与所述伸缩连接杆为可拆卸连接。

所述病床控制单元包括监控传感器、导航传感器、人机界面、蓄电池，所述DSP控制器分别与所述监控传感器、所述人机界面单元、所述蓄电池相连接。

在电源打开状态下，人机界面先工作，如果确实需要移动电动病床，护工人员、护士人员输入各自的权限密码，电动病床才可能在屋子里移动，否则电动病床就待在原地等待权限开启命令；如果电动病床需要推出病房，此时医院负责人需要开启自己的权限密码，否则电动病床一旦移动到门口位置被门口监控传感器探测到，检测系统会触发控制器上的传感器，STM32F407控制器锁死当前的电动病床并发出误操作警报。在正常运动状态下，电动病床通过各种传感器读取外部环境比反馈参数给STM32F407，由STM32F407处理后转化后为两轴差速行驶的直流无刷伺服电机的同步控制PWM信号，PWM波信号经驱动放大后驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动，其运动速度和位移被相对应的磁电编码器M1和M2反馈给STM32F407，由STM32F407根据运行状态参数二次调整两轴同步PWM控制信号以满足实际工作需求。电动床在运行过程中，人机界面在线存储并输出当前状态，使得处理比较直观。

具体的功能实现如下：

1）在电动病床未接到任何指令之前，它一般会和普通医用病床没有区别，被固定在某一个区域，交流电源对系统中的蓄电池充电，保证电动病床有足够的能源完成任务。

2）一旦接到主控器发出的工作命令后，为了防止电动病床的移动损害充电连接线，STM32F407 控制器会自动断开连接线与交流电源的连接，电动病床转为蓄电池供电状态。

3）为了防止误操作，本发明采用三级启动权限，当确定需要移动电动病床时，如果只是在病房内部移动电动病床，则需要护工人员和护士先后通过人机界面输入权限密码开启屋内行走模式；如果是需要推动电动病床走出病房，则需要护工人员、护士和医院负责人先后通过人机界面输入权限密码开启屋外行走模式。

4）当电动病床开启行走模式后，一旦启动键SS按下，系统首先完成初始化并检测电源电压，如果蓄电池电源不正常，将向STM32F407 发出中断请求，STM32F407 会对中断做第一时间响应，如果STM32F407 的中断响应没有来得及处理，车体上的自锁装置将被触发，进而达到自锁的功能，防止误操作；如果电源正常，电动床将开始正常工作。

5）当STM32F407 控制器检测到启动键SS按下，STM32F407 控制器将检测侧向转弯按钮SK是否被触发。如果侧向转弯按钮SK被触发，STM32F407 根据运动部分需要旋转角度需要，把直流无刷伺服电机X和Y要运转的距离SX转化为加速度、速度和位置参考指令值，然后STM32F407再结合电机X和电机Y的磁电传感器M1、M2的反馈生成驱动直流无刷伺服电机X和电机Y的驱动信号，驱动信号经功率桥放大后驱动直流无刷伺服电机X和电机Y以相反的方向运动，在运动过程M1和M2实时反馈电机的运行参数给STM32F407，STM32F407根据反馈参数二次微调电机X和电机Y的PWM控制信号，使得旋转系统在规定时间内完成侧转任务，由于在此过程中只是电机X和电机Y组成的旋转部分旋转90度，并未改变电动病床的方向，提高了电动病床在狭小空间的实用性。

6）当STM32F407 控制器检测到启动键SS按下，如果此时只有前进按钮SF被触发，电动病床将开始向前运动，在运动过程中，携带的前方防撞超声波传感器S9和S10将工作，并向STM32F407 控制器时刻反馈其与前方障碍物的距离。如果防撞超声波传感器S9或者是S10读取到前方有障碍物时，STM32F407 经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，控制电动病床在安全范围内停车，控制器并开启一个三秒的计时，如果三秒后控制器依旧读取到障碍物则通知人机界面改换行走轨迹；如果三秒后障碍物信号消息，则电动病床将按照当前路径继续启动前进。在电动病床运动过程中，磁电传感器M1、M2会时刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并反馈给STM32F407，由STM32F407二次调整直流无刷电机X和电机Y的PWM波控制信号以满足实际需求 。

7）当STM32F407 控制器检测到启动键SS按下，如果此时只有后退按钮SB也被触发，电动病床将开始后退运动，STM32F407 经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，控制电动病床按照设定速度缓慢后退；在后退运动过程中，磁电传感器M1、M2会时刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并反馈给STM32F407 ，STM32F407 根据磁电传感器M1和M2的速度和位移反馈二次调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，保证电动病床在安全速度范围内运行，防止速度过快电动病床推倒护工人员。

8）当STM32F407 控制器检测到启动键SS按下，如果此时转弯按钮SK和前进按钮SF被触发，电动病床将开始侧向右移，在运动过程中，携带的侧方防撞超声波传感器S6将工作，并向STM32F407 控制器时刻反馈其与前方障碍物的距离。如果防撞超声波传感器S6读取到右方有障碍物时，STM32F407 经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，控制电动病床在安全范围内停车，控制器并开启一个三秒的计时，如果三秒后控制器依旧读取到障碍物存在将向人机界面发出停车报警；如果三秒后障碍物信号消息，则电动病床将按照当前轨迹继续侧向右移。在电动病床侧向右移过程中，磁电传感器M1、M2会时刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并反馈给STM32F407 ，由STM32F407 二次调整电机X和电机Y的运动参数，保证系统满足行走要求。

9）当STM32F407 控制器检测到启动键SS一旦按下，如果此时转弯按钮SK和前进按钮SB被触发，电动病床将开始侧向左移，在运动过程中，携带的侧方防撞超声波传感器S7将工作，并向STM32F407 控制器时刻反馈其与前方障碍物的距离。如果防撞超声波传感器S7读取到运动前方有障碍物时，STM32F407 经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，控制电动病床在安全范围内停车，控制器并开启一个三秒的计时，如果三秒后控制器依旧读取到障碍物存在将向人机界面发出停车报警；如果三秒后障碍物信号消息，则电动病床将按照当前轨迹继续侧向左移。在电动病床侧向左移过程中，磁电传感器M1、M2会时刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并反馈给STM32F407 ，由STM32F407 二次调整电机X和电机Y的运动参数，保证系统满足实际需求。

10）当电动病床需要移出病房时，先有医院负责人开启行走权限密码，可以有护工人员推出房间，也可以有护工人员把电动病床推到带有地面导航标志的位置，电动病床进入自动导航状态：其导航的光电传感器S1、S2、S3、S4、S5将工作，地面标志反射回来的光电信号反馈给STM32F407 ，经STM32F407 判断处理后确定偏移导航轨道的偏差，STM32F407把此偏差信号转化为电机X和电机Y要运行的加速度、速度和位移指令，STM32F407 再结合磁电编码器M1和M2的反馈生产驱动直流无刷伺服电机X和电机Y的驱动信号，驱动信号放大后驱动直流无刷电机X和电机Y向前运动，快速调整电动病床迅速回到导航轨道中心。电动病床沿着轨道行走过程，STM32F407 根据地面标志和磁电编码器M1和M2的反馈微调电机X和电机Y的驱动信号，使沿着设定好的轨道顺利通过病房门口。当铺设的轨道消失后，电动病床就停在原地等待人为移动信号，防止误操作。

11）本电动病床在运动过程为了防止护士的误操作以及遇到紧急状况停车，加入了紧急停车自动锁车功能。如遇到紧急情况，当紧急按键ESW1按下后，控制器一旦检测到紧急中断请求会发出原地停车指令，STM32F407 通过驱动器封锁直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM波信号，即使电动病床多个万向轮都处于可以滑动状态，由于行走电机X和电机Y处于锁死状态，这样电动病床也不会运动，保证了在紧急状况下的安全性。

12）本发明在电动病床上加入了湿度检测系统。此湿度检测系统由湿敏传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，这样当病人大小便失控时，湿度检测系统会工作，将发出报警信号，护工人员通过人机界面输出可以查出故障原因，然后更换床褥。

13）本电动床装备了多种防障碍物报警系统，障碍物探测系统可以在病床碰撞到障碍物之前自动探测到障碍物的存在并通过控制器协助自动停车，并根据障碍物的性质确定二次启动或是一直待在原地不动，这样就保证了病床在运动过程中对周围环境的适应，减少了环境对其的干扰。

14）在电动病床行走过程中，直流无刷伺服电机经常会受到外界因素干扰，为了减少电机的脉动转矩对行走的影响，控制器在考虑电机特性的基础上加入了对电机转矩的在线辨识，并利用电机力矩与电流的关系进行及时补偿，削弱了外界环境对运动的影响。

一种单核双轮两轴自动电动病床的有益效果包括：

1、在控制过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于ARM（STM32F407）控制器时刻都在对电动病床的运行状态和电源来源进行监测和运算，当交流电源切断时，病床会借助自携带蓄电池电源自锁在固定位置，直至有移动病床的开关信号输入，保证了病床的自然状态。

2：为了方便使用，减少外界对病床的干扰，护工人员、护士人员以及医院管理人员均需要开启权限才可以启动电动病床，减少了误操作的危险。

3：为了方便病人自理，减少对外界条件的依赖，本系统加入了人机界面功能，病人只要通过电脑触摸屏就可以自动控制病床，这样就可以不需要护理而自己解决部分简易的日常生活。

4：由于此电动病床加入了基于蓄电池的动力助力装置，即使碰到病人身体肥胖或者护理人员身体瘦弱时，病床本身在电源充足的条件下可以为护工人员和护士人员在屋子里移动病床提供动力，减少了护士或者护工人员在屋子里移动病床的体力消耗和劳动强度。

5：由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的两轮差速驱动系统，使得病床可以在屋子里实现自由移动，减少了病人在某一个固定位置的压抑感。

6：由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的两轮差速驱动系统，使得单台电机的功率大大降低，并且动力与地面的接触点有两点，有利于提高电动病床行驶时的操控性。

7：由于加入了基于直流无刷伺服电机的两轮差速驱动系统，在非常狭小的空间内可以使病床侧向移动，减少旋转带来的负面问题。

8：为了能够使病床能够自由移出病房门口，控制器加入了多种导航传感器，在移出病房过程中一旦读到地面标志就会自动导航，减少人工移动病床带来的误差。

9：当电动病床遇到爬坡的时，由于自身携带的有动力能源，所以可以很好的起到助力作用，并且双轮驱动的动力特性远远优越于单轮驱动，进一步减少了对护工人员体力的要求。

10：由STM32F407处理两轴电机差速行驶的全数字伺服控制，大大提高了运算速度，解决了单单片机运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强。

11：本发明完全实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且还完全实现了多轴电机控制信号的同步，有利于提高医用电动病床的稳定性和动态性能。

12：由于本控制器采用STM32F407 处理大量的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

13：本电动病床加入了自动锁车功能，当病床在移动过程中，如遇到紧急情况，控制器会发出原地停车指令，并锁死两轮差速行驶电机，即使多个万向轮都处于可以滑动状态，但由于驱动轮处于锁死状态，这样也不会运动。

14：本电动病床加入了湿度检测系统。此湿度检测系统由湿敏传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，这样当病人大小便失控或者是床单潮湿时，湿度检测系统会工作，发出更换请求。

15：本电动床装备了多种报警系统，在碰撞到障碍物之前自动停车，这样就保证了在运动过程中的安全性，减少了环境对其的干扰。

16：由于本电动病床系统采用直流无刷伺服电机替代了直流电机，不仅进一步提高了系统的安全性，也可以提高能源的利用率，增加了电动病床在携带能源一定的条件下一次移动的距离。

17：由于本电动病床系统采用直流无刷伺服电机，当电机受到外界干扰产生脉动转矩时，直流无刷伺服电机可以利用力矩与电流的关系迅速进行补偿，极大减少了外界干扰对电动病床的影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种单核双轮两轴自动电动病床，其特征在于，包括：床架、立架、床板本体、转轴、支架、驱动单元、滑轮，

所述床架包括上架体、下架体、伸缩连接杆，所述上架体通过若干所述伸缩连接杆与所述下架体相连接，所述支架所述伸缩连接杆上，所述转轴旋转连接于所述支架上，

所述床板本体包括第一板体、第二板体和第三板体，所述第一板体和所述第三板体分别通过连接轴活动设置于所述第二板体的两侧，所述第二板体设置于所述转轴上，

所述立架设置于所述床架的两端，所述滑轮设置于所述床架的底部，

所述驱动单元包括ARM控制器、两轴直流无刷伺服电机、驱动器、障碍监测器、湿度监测器，所述障碍监测器设置于所述床架上，所述湿度监测器设置于所述床板本体上，所述两轴直流无刷伺服电机分别与所述驱动器、所述滑轮、所述转轴、所述第一板体和所述第三板体相连接，所述ARM控制器与所述驱动器和所述障碍监测器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种单核双轮两轴自动电动病床，其特征在于，所述伸缩连接杆可拆卸连接于所述上架体、所述下架体。

3.根据权利要求1所述的一种单核双轮两轴自动电动病床，其特征在于，所述支架与所述伸缩连接杆为可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的一种单核双轮两轴自动电动病床，其特征在于，所述病床控制单元包括监控传感器、导航传感器、人机界面、蓄电池，所述DSP控制器分别与所述监控传感器、所述人机界面单元、所述蓄电池相连接。