基于STM32的多功能翻身系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制

(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院)

0 引言

據(jù)調(diào)查，到2050年，我國獨(dú)居和空巢老年人將占54%以上，他們的養(yǎng)老問題急需解決。由于空巢老人行動(dòng)不便，有效合理的翻身可以極大的提高老年人的護(hù)理效率，同時(shí)防止慢性疾病的發(fā)生，有助于老年人的健康。如何對(duì)他們進(jìn)行智能化和高效化的翻身護(hù)理是問題的關(guān)鍵。本文所設(shè)計(jì)的多功能翻身系統(tǒng)可以有效的解決空巢老人以及失能人士的翻身問題，使他們享受舒適的翻身過程。

目前為止，國內(nèi)外在康復(fù)護(hù)理過程中，絕大部分采用人為的翻身，即使是高級(jí)智能醫(yī)療床也很少具備翻身功能。市面上極少數(shù)具備翻身功能的醫(yī)療床，只具備簡單地機(jī)械翻身功能，在智能化和舒適化方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文所設(shè)計(jì)的多功能翻身系統(tǒng)是以ARM8/STM32F407為核心板的智能翻身系統(tǒng)，具有分段翻身，分段護(hù)理，分段保護(hù)，左右翻身的功能。不僅方便了居家養(yǎng)老人員的使用，并且有利于護(hù)理人員的日常護(hù)理 ，具有極大的實(shí)用性和商業(yè)價(jià)值。

1 多功能翻身系統(tǒng)的工作原理

多功能翻身系統(tǒng)由兩部分組成。第一部分是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，介紹機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，保證各部分達(dá)到安全參數(shù)要求，通過Solid works軟件仿真得到運(yùn)動(dòng)軌跡圖，證明機(jī)械設(shè)計(jì)部分的可行性。第二部分為控制系統(tǒng)部分，主要由ARM8/STM32F407核心板模塊，GPIO接口模塊，電源模塊以及控制程序設(shè)計(jì)部分。

通過點(diǎn)擊上位機(jī)界面功能按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)翻身系統(tǒng)電機(jī)的控制，從而帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻身系統(tǒng)的不同功能。可實(shí)現(xiàn)功能如下。

1)左右翻身：當(dāng)用戶由于長久臥床而需要活動(dòng)時(shí)，翻身系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)任意角度的翻身，且能夠?qū)崿F(xiàn)左右兩個(gè)方向的翻身。

2)分段保護(hù)：翻身系統(tǒng)通過大側(cè)翻，小側(cè)翻兩個(gè)方式的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的分段保護(hù)。目前，同類具有此翻身系統(tǒng)的護(hù)理床市面上暫未出現(xiàn)。

3)分段翻身：此翻身系統(tǒng)針對(duì)用戶需要對(duì)背部和臀部不同位置進(jìn)行護(hù)理，從而防止用戶由于長期臥床而產(chǎn)生慢性皮膚病。

4)分段護(hù)理：考慮到醫(yī)護(hù)人員護(hù)理任務(wù)繁重，翻身系統(tǒng)可以對(duì)背部臀部分別進(jìn)行自動(dòng)的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同角度的翻轉(zhuǎn)，大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作量，提高工作效率。

2 機(jī)械系統(tǒng)部分

2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)簡介

護(hù)理機(jī)器人的翻身系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中的三個(gè)自由度。它由帶傳動(dòng)裝置，絲杠，滑塊，連桿以及支板組成(如圖1所示)。翻身過程的支板由三臺(tái)24 V步進(jìn)電機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。整個(gè)翻身系統(tǒng)由三個(gè)圖一的結(jié)構(gòu)組成，在連桿部分裝有3個(gè)光電開關(guān)，保證運(yùn)行過程中機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。這樣設(shè)計(jì)，可以防止機(jī)構(gòu)運(yùn)行超限而引起的危險(xiǎn)性。當(dāng)用戶做翻身運(yùn)動(dòng)時(shí)，由三個(gè)與圖1相同的結(jié)構(gòu)來做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)兩塊支板做平行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)用戶的小側(cè)翻的運(yùn)動(dòng)，防止用戶在大側(cè)翻時(shí)滑落。小側(cè)翻結(jié)束，再由兩臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大側(cè)翻，角度不超過80度，保證各用戶使用時(shí)的安全性和舒適度。大小側(cè)翻的配合即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)翻身運(yùn)動(dòng)過程。

如圖1所示，絲杠帶動(dòng)滑塊左右移動(dòng)，便可以實(shí)現(xiàn)連桿的左右運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)在實(shí)物中即就是左右翻身運(yùn)動(dòng)。這樣設(shè)計(jì)為了達(dá)到不同速度不同角度的翻身需求。通過控制系統(tǒng)控制電機(jī)的方向和脈沖實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)速度以及方向的控制。

圖1 左右側(cè)翻身機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件仿真驗(yàn)證

考慮到用戶的使用，翻身系統(tǒng)的安全性顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)的翻身機(jī)構(gòu)最大承載量為200 kg，用戶身高上線為200 mm.可以以此數(shù)據(jù)為參考選擇合理的數(shù)據(jù)，保證在翻身系統(tǒng)的耐壓范圍內(nèi)，有利于進(jìn)行下一步的仿真實(shí)驗(yàn)[4]。

基于Solid works軟件強(qiáng)大的仿真功能，我們選擇此軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以直觀看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的可行性。選擇安全范圍內(nèi)的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為，100 kg身高175 mm的用戶。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡圖如2所示。

圖2 基于Solid works軟件仿真軌跡圖

如圖2所示，分別為左翻身和右翻身時(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的軌跡圖，選擇正常的用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡平穩(wěn)，呈現(xiàn)出圓弧狀，足以說明此翻身系統(tǒng)可以進(jìn)行正常的使用，選擇絲杠帶動(dòng)滑塊的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)需求，可以實(shí)現(xiàn)翻身系統(tǒng)所需運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)方案可行。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能翻身系統(tǒng)控制部分的核心板為ARM8/STM32F407[6]，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)底板模塊，完成硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。核心板通過插針的方式與底板連接，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)底板的修改完善。翻身機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)主要組成單元有：電源模塊，東方電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，STM32F4核心板，WiFi模塊，GPIO口模塊。STM32F4核心板與底板連接，通過WiFi模塊接收上位機(jī)指令，向IO口發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，控制3臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)翻身運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

在此智能翻身系統(tǒng)中，底板電路通過插口與核心板相連，外部電路通過GPIO口與核心板相接，上位機(jī)系統(tǒng)通過WiFi模塊與系統(tǒng)進(jìn)行通訊，保證各個(gè)指令的正常操作。

3.1.1 電源電路

電源是一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，翻身系統(tǒng)主要由STM32F4核心板控制，因此其供電電路顯得尤為重要。ARM8/ STM32F4開發(fā)板板載電源供電部分原理圖如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

圖中U13為穩(wěn)壓芯片，可以保證電源電壓的穩(wěn)定。外部電機(jī)采用24 V電壓供電，但核心板只需要5 V的電源，通過DC_IN用于外部24 V直流電源輸入，經(jīng)過U13 DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為5 V電源輸出提供給核心板，以此保證核心板正常運(yùn)行，對(duì)各部分電路進(jìn)行控制。

3.1.2 外部GPIO口擴(kuò)展電路

ARM8/ STM32F4核心板有110多個(gè)IO口，其中翻身部分只用到21個(gè)口，引出的IO口由三部分組成，控制三臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)脈沖和方向的6個(gè)口，控制9臺(tái)光電傳感器的9個(gè)口，以及電機(jī)失步和過載的信號(hào)口6個(gè)。脈沖方向信號(hào)輸入保證電機(jī)正常運(yùn)行。光電傳感器保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，信號(hào)口對(duì)可能發(fā)生的電機(jī)失步和過載進(jìn)行報(bào)警，提供雙重運(yùn)行保護(hù)。

圖5 外部GPIO口擴(kuò)展電路原理圖

3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖6 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此多功能翻身系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖7所示，翻身系統(tǒng)的運(yùn)行主要通過功能函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，將翻身系統(tǒng)運(yùn)行函數(shù)放在子函數(shù)中調(diào)用運(yùn)行可以大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)省控制系統(tǒng)的內(nèi)存。

圖7 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)自動(dòng)將目前的狀態(tài)顯示在上位機(jī)上，由上位機(jī)發(fā)送翻身指令：左翻，右翻，以及左右背部護(hù)理，左右臀部護(hù)理的命令。串口接受指令，若收到指令，調(diào)用對(duì)應(yīng)的功能函數(shù)，可以通過上位機(jī)不同按鍵來實(shí)現(xiàn)。子函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的電機(jī)程序以及定時(shí)器程序，實(shí)現(xiàn)翻身系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 控制方法簡介

對(duì)翻身系統(tǒng)而言保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要，但是由于翻身系統(tǒng)負(fù)載的不確定性，用戶體重輕重或者身高高低都會(huì)對(duì)翻身系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的壓迫，機(jī)構(gòu)絲杠打滑或者卡殼會(huì)導(dǎo)致翻身系統(tǒng)中的一部分或者總體出現(xiàn)暫時(shí)性的停滯，這時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其位置發(fā)生過大或者過小的變化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此翻身系統(tǒng)中加入模糊控制器對(duì)其進(jìn)行控制[3]。控制器原理圖如8圖所示。

圖8 控制器原理圖

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了脈沖數(shù)、關(guān)電開關(guān)和機(jī)械限位三種限位模式，但三者間又存在互相約束關(guān)系，如光電開關(guān)限位與脈沖運(yùn)行結(jié)束之間存在不一致情況，甚至相互沖突。因此采用三種控制方法。

脈沖數(shù)和光電限位調(diào)節(jié)回路可以采用模糊控制器，由于翻身系統(tǒng)位置控制過程復(fù)雜而且會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)性的變化，脈沖數(shù)和光電的控制要隨著翻身系統(tǒng)位置的變化來調(diào)節(jié)。

在翻身系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了獲得準(zhǔn)確的位置控制規(guī)律，采樣周期應(yīng)較長。在一個(gè)運(yùn)行周期中控制次數(shù)要多，因此綜合考慮采樣時(shí)間最好為1/5左右。采樣三分鐘，采樣偏差為d(k)，采樣偏差的變化為dc(k)，其速度的變化為v(k)，以下用d，dc和k表示，其模糊子集用D,DC和K表示[3]。

D的模糊集M為{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}，DC,K的模糊集N,P均為{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。

如果偏差d的基本論域是{-xd,xd},偏差變化dc的基本論域是{-xdc,xdc}，被控制量k的基本論域是{-xu,xu}。將模糊控制器的并行機(jī)構(gòu)的位置控制值和設(shè)定偏差D的論域X為{-p,-p+1,…1,0,…,p-1,p}；偏差變化DC的論域?yàn)閅={-q,-q+1,…0,…,q-1,q}；控制量K的論域Z為{-l,-l+1,…,0…,l-1,l}。

根據(jù)并行機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況確定上面的參數(shù)。首先考慮位置控制過程中的連續(xù)性，為了近似度的充分性，使模糊變量的模糊子集較好的覆蓋論域，量化的等級(jí)數(shù)目需要充分的大；再次，考慮到控制中的復(fù)雜過程和一些程序的限制，加上參考類似的成功控制的理論知識(shí)(當(dāng)論域元素總數(shù)是模糊子集總數(shù)的 2-3倍時(shí)，論域中的各模糊子集分布較為合理)。

D,DC,K的模糊集合的子集合的數(shù)目分別取8,7,7，論述中偏差及其變化量的模糊子集論域中的元素個(gè)數(shù)都選為13個(gè)(p=q=6),控制量依據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)，選為15個(gè)(l=7)。

對(duì)輸入變量偏差及其變化做模糊化處理，即就是用量化因子乘以輸入變量。護(hù)理機(jī)器人雙并行機(jī)構(gòu)位置的控制依據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)一步一步的積累完善，例如：“如若位置變化量較大并且有繼續(xù)變大的趨勢，則減小脈沖數(shù)” ，如何調(diào)整根據(jù)量化因子決定。

確定位置控制變化的原則是：當(dāng)位置變化的偏差大或者偏大的時(shí)候，控制量應(yīng)該以消除偏差為主；而當(dāng)位置變化的偏差小的時(shí)候，控制量要避免超調(diào)，將系統(tǒng)的穩(wěn)定性作為出發(fā)點(diǎn)[2]。

位置變化控制量的非模糊化以及決策方法采用Mamdani推理法[3-4]，決策出的控制變量的模糊子集(位置控制量的模糊量)。該兩輸入單輸出的二維模糊控制器的控制規(guī)則可寫成下列條件語句形式，即：

ifE=MiEC=NithenK=Pij

(i=1,2,….,8;j=1,2,…,7)

式中,Mi,Ni,Pij分別代表誤差，誤差變化和位置變化控制論域X,Y,Z上的模糊集，則：

R的隸屬函數(shù)：

(x∈X,y∈Y,z∈Z)

若E取為M，EC取N為時(shí)的時(shí)候，按照模糊推理的合成規(guī)則，位置變化控制量的變化K為：

K=(A×B)R

K的隸屬函數(shù)：

ej，ecj分別為采樣得到的誤差和誤差變化率，kij為計(jì)算出的位置控制量 ，在去模糊化過程中我們采用最大隸屬度法。再由X，Y集合中所有元素的組合得到對(duì)應(yīng)的控制量的變化，得到控制表?？刂屏康淖兓怯?jì)算機(jī)事先計(jì)算好放入內(nèi)存中的。在對(duì)誤差和誤差變化值進(jìn)行模糊化后，對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。控制量的變化Uij可以由查表得到，然后乘以比例因子Ku，從而作為控制器去修正并行機(jī)構(gòu)的控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)并行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

位置矢量控制以及交叉限幅控制較為簡單，在此不再贅述。

5 系統(tǒng)的調(diào)試

智能翻身系統(tǒng)是將ARM8/STM32F407控制板的機(jī)構(gòu)與控制器結(jié)合起來調(diào)試的，通過測試，來判斷系統(tǒng)是否可以滿足運(yùn)行需求。主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試：

1)將開發(fā)好的程序通過串口燒錄到開發(fā)板，連接示波器觀察端口信號(hào)是否正常。若正常進(jìn)行下一步，否則檢查程序和電路板排查故障。

2)打開電源，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)上點(diǎn)，通過WiFi模塊連接上位機(jī)，進(jìn)行功能按鍵選擇，可選則不同的翻身和護(hù)理功能檢測系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

3)分別在空載和負(fù)載兩種情況下運(yùn)行，選擇多個(gè)負(fù)載進(jìn)行測試，觀察系統(tǒng)形變，檢測光電系統(tǒng)是否發(fā)揮作用。

經(jīng)過為期半年多的測試，對(duì)系統(tǒng)整體硬件和軟件以及控制方法的修改和不斷完善，最終使系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足可行性需求。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)調(diào)試，最終確定了多功能翻身系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

6 結(jié)束語

針對(duì)目前國內(nèi)外老年人護(hù)理的難題，設(shè)計(jì)出多功能翻身系統(tǒng)[6]。通過對(duì)STM32控制板的深入研究和學(xué)習(xí)，最終確定了以其為主控制板的控制方案。詳細(xì)介紹了翻身系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及主控制系統(tǒng)軟件硬件的設(shè)計(jì)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)控制方法進(jìn)行研究，通過仿真軟件繪制系統(tǒng)翻身動(dòng)態(tài)圖，確定了此翻身系統(tǒng)運(yùn)行的可行性。此后，將對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行不斷地完善升級(jí)，滿足用戶對(duì)智能護(hù)理產(chǎn)品的需求[7-10]。