基于STM32的多功能翻身系統設計與控制

(上海工程技術大學汽車與機械工程學院)

0 引言

據調查，到2050年，我國獨居和空巢老年人將占54%以上，他們的養老問題急需解決。由于空巢老人行動不便，有效合理的翻身可以極大的提高老年人的護理效率，同時防止慢性疾病的發生，有助于老年人的健康。如何對他們進行智能化和高效化的翻身護理是問題的關鍵。本文所設計的多功能翻身系統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，國內外在康復護理過程中，絕大部分采用人為的翻身，即使是高級智能醫療床也很少具備翻身功能。市面上極少數具備翻身功能的醫療床，只具備簡單地機械翻身功能，在智能化和舒適化方面遠遠不夠。本文所設計的多功能翻身系統是以ARM8/STM32F407為核心板的智能翻身系統，具有分段翻身，分段護理，分段保護，左右翻身的功能。不僅方便了居家養老人員的使用，并且有利于護理人員的日常護理 ，具有極大的實用性和商業價值。

1 多功能翻身系統的工作原理

多功能翻身系統由兩部分組成。第一部分是機械結構部分，介紹機械結構組成，保證各部分達到安全參數要求，通過Solid works軟件仿真得到運動軌跡圖，證明機械設計部分的可行性。第二部分為控制系統部分，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計部分。

通過點擊上位機界面功能按鍵，實現對翻身系統電機的控制，從而帶動連桿機構實現翻身系統的不同功能。可實現功能如下。

1)左右翻身：當用戶由于長久臥床而需要活動時，翻身系統可實現任意角度的翻身，且能夠實現左右兩個方向的翻身。

2)分段保護：翻身系統通過大側翻，小側翻兩個方式的配合實現對用戶的分段保護。目前，同類具有此翻身系統的護理床市面上暫未出現。

3)分段翻身：此翻身系統針對用戶需要對背部和臀部不同位置進行護理，從而防止用戶由于長期臥床而產生慢性皮膚病。

4)分段護理：考慮到醫護人員護理任務繁重，翻身系統可以對背部臀部分別進行自動的上下移動，實現不同角度的翻轉，大大減輕了醫護人員的工作量，提高工作效率。

2 機械系統部分

2.1 機械機構簡介

護理機器人的翻身系統要實現運動過程中的三個自由度。它由帶傳動裝置，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24 V步進電機控制，可以實現兩個方向的旋轉。整個翻身系統由三個圖一的結構組成，在連桿部分裝有3個光電開關，保證運行過程中機構運轉的平穩性。這樣設計，可以防止機構運行超限而引起的危險性。當用戶做翻身運動時，由三個與圖1相同的結構來做旋轉運動。電機帶動兩塊支板做平行運動，實現用戶的小側翻的運動，防止用戶在大側翻時滑落。小側翻結束，再由兩臺電機帶動兩個連桿機構實現大側翻，角度不超過80度，保證各用戶使用時的安全性和舒適度。大小側翻的配合即可實現整個翻身運動過程。

如圖1所示，絲杠帶動滑塊左右移動，便可以實現連桿的左右運動，表現在實物中即就是左右翻身運動。這樣設計為了達到不同速度不同角度的翻身需求。通過控制系統控制電機的方向和脈沖實現來實現對速度以及方向的控制。

圖1 左右側翻身機械結構圖

2.2 軟件仿真驗證

考慮到用戶的使用，翻身系統的安全性顯得尤為重要。本文設計的翻身機構最大承載量為200 kg，用戶身高上線為200 mm.可以以此數據為參考選擇合理的數據，保證在翻身系統的耐壓范圍內，有利于進行下一步的仿真實驗[4]。

基于Solid works軟件強大的仿真功能，我們選擇此軟件進行仿真實驗，可以直觀看到實驗結果，驗證系統運行的可行性。選擇安全范圍內的一組數據進行仿真實驗，實驗數據為，100 kg身高175 mm的用戶。系統運動軌跡圖如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系統運動的軌跡圖，選擇正常的用戶進行實驗，系統的運動軌跡平穩，呈現出圓弧狀，足以說明此翻身系統可以進行正常的使用，選擇絲杠帶動滑塊的結構滿足設計需求，可以實現翻身系統所需運動，系統方案可行。

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

智能翻身系統控制部分的核心板為ARM8/STM32F407[6]，根據系統的功能需求，設計底板模塊，完成硬件系統的系統架構。核心板通過插針的方式與底板連接，便于設計人員對底板的修改完善。翻身機構的控制系統主要組成單元有：電源模塊，東方電機驅動器，STM32F4核心板，WiFi模塊，GPIO口模塊。STM32F4核心板與底板連接，通過WiFi模塊接收上位機指令，向IO口發送信號，驅動驅動器，控制3臺電機運動來實現翻身運動。系統架構圖如圖3所示。

圖3 硬件系統架構圖

在此智能翻身系統中，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，上位機系統通過WiFi模塊與系統進行通訊，保證各個指令的正常操作。

3.1.1 電源電路

電源是一個系統穩定運行的前提，翻身系統主要由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為穩壓芯片，可以保證電源電壓的穩定。外部電機采用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，經過U13 DC-DC芯片轉換為5 V電源輸出提供給核心板，以此保證核心板正常運行，對各部分電路進行控制。

3.1.2 外部GPIO口擴展電路

ARM8/ STM32F4核心板有110多個IO口，其中翻身部分只用到21個口，引出的IO口由三部分組成，控制三臺驅動電機脈沖和方向的6個口，控制9臺光電傳感器的9個口，以及電機失步和過載的信號口6個。脈沖方向信號輸入保證電機正常運行。光電傳感器保證系統運行的穩定性，信號口對可能發生的電機失步和過載進行報警，提供雙重運行保護。

圖5 外部GPIO口擴展電路原理圖

3.1.3 電機驅動電路

圖6 驅動電路原理圖

3.2 控制系統軟件設計

此多功能翻身系統的程序設計架構如圖7所示，翻身系統的運行主要通過功能函數的調用來實現，將翻身系統運行函數放在子函數中調用運行可以大大提高系統的運行效率，節省控制系統的內存。

圖7 軟件系統架構圖

首先對系統進行初始化，系統自動將目前的狀態顯示在上位機上，由上位機發送翻身指令：左翻，右翻，以及左右背部護理，左右臀部護理的命令。串口接受指令，若收到指令，調用對應的功能函數，可以通過上位機不同按鍵來實現。子函數執行相應的電機程序以及定時器程序，實現翻身系統的正常運行。

4 控制方法簡介

對翻身系統而言保證系統的平穩運行至關重要，但是由于翻身系統負載的不確定性，用戶體重輕重或者身高高低都會對翻身系統產生不同程度的壓迫，機構絲杠打滑或者卡殼會導致翻身系統中的一部分或者總體出現暫時性的停滯，這時也會導致其位置發生過大或者過小的變化，影響系統穩定性，因此翻身系統中加入模糊控制器對其進行控制[3]。控制器原理圖如8圖所示。

圖8 控制器原理圖

為保證系統的穩定性，采用了脈沖數、關電開關和機械限位三種限位模式，但三者間又存在互相約束關系，如光電開關限位與脈沖運行結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。

脈沖數和光電限位調節回路可以采用模糊控制器，由于翻身系統位置控制過程復雜而且會發生實時性的變化，脈沖數和光電的控制要隨著翻身系統位置的變化來調節。

在翻身系統運行過程中，為了獲得準確的位置控制規律，采樣周期應較長。在一個運行周期中控制次數要多，因此綜合考慮采樣時間最好為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構的位置控制值和設定偏差D的論域X為{-p,-p+1,…1,0,…,p-1,p}；偏差變化DC的論域為Y={-q,-q+1,…0,…,q-1,q}；控制量K的論域Z為{-l,-l+1,…,0…,l-1,l}。

根據并行機構運行情況確定上面的參數。首先考慮位置控制過程中的連續性，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，量化的等級數目需要充分的大；再次，考慮到控制中的復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(當論域元素總數是模糊子集總數的 2-3倍時，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數都選為13個(p=q=6),控制量依據控制對象的特點，選為15個(l=7)。

對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。護理機器人雙并行機構位置的控制依據現場的經驗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變大的趨勢，則減小脈沖數” ，如何調整根據量化因子決定。

確定位置控制變化的原則是：當位置變化的偏差大或者偏大的時候，控制量應該以消除偏差為主；而當位置變化的偏差小的時候，控制量要避免超調，將系統的穩定性作為出發點[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：

(x∈X,y∈Y,z∈Z)

若E取為M，EC取N為時的時候，按照模糊推理的合成規則，位置變化控制量的變化K為：

K=(A×B)R

K的隸屬函數：

ej，ecj分別為采樣得到的誤差和誤差變化率，kij為計算出的位置控制量 ，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應的控制量的變化，得到控制表。控制量的變化是計算機事先計算好放入內存中的。在對誤差和誤差變化值進行模糊化后，對位置進行實時控制。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構的控制參數，從而實現并行機構的穩定運行[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 系統的調試

智能翻身系統是將ARM8/STM32F407控制板的機構與控制器結合起來調試的，通過測試，來判斷系統是否可以滿足運行需求。主要通過以下步驟實現系統的調試：

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

2)打開電源，對整個系統上點，通過WiFi模塊連接上位機，進行功能按鍵選擇，可選則不同的翻身和護理功能檢測系統是否正常運行。

3)分別在空載和負載兩種情況下運行，選擇多個負載進行測試，觀察系統形變，檢測光電系統是否發揮作用。

經過為期半年多的測試，對系統整體硬件和軟件以及控制方法的修改和不斷完善，最終使系統設計滿足可行性需求。經過大量的實驗，反復調試，最終確定了多功能翻身系統可以穩定可靠的運行。

6 結束語

針對目前國內外老年人護理的難題，設計出多功能翻身系統[6]。通過對STM32控制板的深入研究和學習，最終確定了以其為主控制板的控制方案。詳細介紹了翻身系統的機構設計以及主控制系統軟件硬件的設計，為保證系統穩定運行對控制方法進行研究，通過仿真軟件繪制系統翻身動態圖，確定了此翻身系統運行的可行性。此后，將對此系統進行不斷地完善升級，滿足用戶對智能護理產品的需求[7-10]。