基于閉環(huán)控制的空間自平衡擔架設計

譚隆君，尹 念

(1.長沙理工大學城南學院，湖南 長沙 410015；2.長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

救援環(huán)境中，路面通常因遭到破壞導致凹凸不平，使得傷員的轉運速度減慢，也增大了醫(yī)療人員的勞動強度。搬運過程中擔架的過度傾斜不僅會使傷員感到不適，還可能對骨折、內傷和內出血等傷病員造成二次傷害，危及其生命安全。為防止傷員在運輸時傾斜而受到二次傷害，提升運輸效率，靳飛等[1]設計出一種能夠保持平穩(wěn)性的自平衡擔架床，能夠根據地形變化調整擔架的角度保持平衡。為解決多向傾斜問題，張欣等[2]設計出一種可多向自平衡的擔架床，在擔架床中引入控制思想，提升了傷員的運輸質量。目前投入使用的自平衡擔架床雖然能有效實現(xiàn)傾斜路面的自平衡，但大多結構復雜、重量重，不便于攜帶且運輸效率較低。基于此，本文設計出一種集自平衡與可拆卸于一體的多功能擔架床。

1 機構自平衡原理

自平衡機構包括抬桿、支撐桿和擔架板，其中，支撐桿一端與抬桿活動連接，另一端與擔架板通過旋轉副相連，如圖1所示。當救援人員抬著擔架行走在有一定傾斜角度的路面上時，控制器控制支撐桿伸縮，帶動旋轉副轉動進行角度調節(jié)，實現(xiàn)自平衡，整個過程不需要人工介入。

圖1 機構自平衡原理圖

2 整體結構設計

本設計可拆卸自平衡擔架由自平衡擔架、自平衡控制系統(tǒng)、360°旋轉把手和可拆卸結構4部分組成。

為保證平衡擔架在復雜的環(huán)境中保持平衡，需要對其x、y和z軸的轉動和z軸的移動進行實時調整。根據上節(jié)所述的機構自平衡原理設計出如圖2所示的自平衡控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由STM32單片機、電推桿、控制器、擔架主體和動態(tài)傾角傳感器組成。工作原理是測量范圍為0°～360°、測量精度為0.1°的動態(tài)傾角傳感器時刻檢測擔架主體的傾斜角度，并實時與控制器內預先設置的角度對比，若數(shù)據發(fā)生偏差，控制器則發(fā)出指令驅動4個電推桿(見圖3)伸縮，實現(xiàn)擔架主體的高度調整。

圖2 擔架自平衡結構圖

圖3 帶萬向球頭的電動推桿

擔架處于傾斜狀態(tài)時會導致救援人員的手腕感到不適，采用360°旋轉把手可不受任何方向的制約，救援人員的手腕不必隨擔架傾斜，始終處于舒適狀態(tài)。

可拆卸結構部分，擔架外架上設有間隔的螺紋孔，可用于安裝擔架窗和擔架頂，安裝后可在運輸時防雨和防高空墜物對傷員造成二次傷害；擔架主體四角有帶插銷的4個空心柱，當傷員轉移到路況好的環(huán)境時可用于安裝電動滾輪加快運輸速率，減少救援人員體力消耗；在劃艇上還可起到固定樁的作用，便于救援時通過深水區(qū)和洪水受災區(qū)。

3 控制效果仿真分析

經典PID控制器的原理是用預設輸入與實際信號的誤差以及其微分、積分的線性組合來產生控制信號。但其常常存在調節(jié)時間與超調量之間的矛盾，即無法在保證快速的條件下實現(xiàn)無超調。而將這3個狀態(tài)參數(shù)進行非線性組合采用PID控制有助于提升控制效果[3]。

常見線性PID控制器傳遞函數(shù)的一般表達式為：

(1)

本文采用了一種基于電容電極之間帶電粒子的作用原理所構造的非線性函數(shù)[4]對PID控制率進行修正。其控制規(guī)律的表達形式為：

(2)

式中：

(3)

(4)

式中：參數(shù)m>0，用來調整函數(shù)曲率；參數(shù)U0用來調整函數(shù)的幅值；|e|

以1/s(s+2)(s+3)為模型，對模型進行線性和非線性PID控制對比，在預定參數(shù)下，非線性PID控制器的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 非線性PID系統(tǒng)框圖

為驗證控制器的性能，以增益曲線與橫軸所圍面積相等為依據分別進行參數(shù)設計[5]。

線性PID控制器的參數(shù)為：

kP=5，ki=0，kd=4.1

非線性PID控制器的參數(shù)為：

2種控制器的階躍響應如圖5所示，差距在5%以內，且最終都能回到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差都接近于0。但在上述預定參數(shù)下對2種控制器進行延時環(huán)節(jié)測試時，非線性PID控制器的最大延時為線性PID 控制器的192%。研究結果表明，這種非線性PID控制器能夠在保持系統(tǒng)控制剛度的條件下，較好地提升系統(tǒng)的最大延時承受能力，獲得更大的穩(wěn)定裕度，更好地平衡了系統(tǒng)動態(tài)響應性能和穩(wěn)定性之間的矛盾。

圖5 階躍響應時間對比

4 結論

為防止傷員在救援運輸過程中受到二次傷害，保證傷員在運輸中的平穩(wěn)性，本文設計出一種可用于復雜地面環(huán)境救助傷員的可拆卸式自平衡擔架。其具有以下優(yōu)點。

1)采用4個電動推桿與球形萬向節(jié)的聯(lián)合動作實現(xiàn)擔架在多方向的角度調整，以應對擔架的任何傾斜狀況。

2)采用一種新的非線性PID控制算法，有效提升了系統(tǒng)的控制能力，增大了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。

3)根據實際情況，擔架可拓展安裝各種附件結構，增加附加功能，實現(xiàn)擔架的多功能化。