[发明专利]一种床椅一体化机器人自动对接与控制系统

摘要

本发明公开一种床椅一体化机器人自动对接与控制系统，包括床椅转换机构、床体构成以及控制系统构成，床椅转换机构可由床体中移出或移入；床椅转换机构包括整体框架、并联机构、联动机构与全向底盘；整体框架又包括座椅框架、曲腿框架、背板框架、腿板框架和脚板框架，其中各个框架间的相对运动通过由多个电动推杆构成的联动机构实现，实现床椅转换功能；且座椅框架底部通过并联机构连接全向底盘，通过并联机构实现可以同时实现整体框架的左右侧翻，前后倾斜和升降。全向底盘实现床椅转换机构的全向移动。本发明可通过控制系统实现全自动的床椅间变换和分离结合，并具备较为完善床、椅间转换功能，以及翻身功能，安全性与舒适性大大提升，且结构简单。

主权项

一种床椅一体化机器人自动对接与控制系统，其特征在于：包括可移动的床椅转换机构、固定在地面上的床体以及控制系统；所述床椅转换机构包括整体框架、并联机构、联动机构与全向底盘；其中，整体框架为一模块化的床面结构，包括座椅框架、曲腿框架、背板框架、腿板框架和脚板框架；其中，整体框架上安装有由电动推杆A、电动推杆B、长连接杆A、长连接杆B、摆杆、滚轮组成的联动机构；通过联动机构控制座椅框架、曲腿框架、背板框架、腿板框架和脚板框架间的相对运动；座椅框架底部通过并联机构与全向底盘相连；所述座椅框架为上下两层结构，座椅框架上层与座椅框架下层间通过连接杆相对固定；座椅框架上层后部侧边通过铰链分别与背板框架、曲腿框架铰接；其中，曲腿框架位于座椅框架上层后部侧边前方，且位于座椅框架上层的内部；背板框架位于座椅框架上层后部侧边后方；座椅框架上层前部侧边通过铰链与腿板框架连接，腿板框架前部侧边连接脚板框架；上述背板框架与座椅框架间的相对运动通过电动推杆A控制，电动推杆A的机体端与座椅框架下层铰接，电动推杆A的推杆端与背板框架铰接；所述曲腿框架搭接在与座椅框架上层固定连接的支撑板上；曲腿框架与支撑板搭接后，曲腿框架与座椅框架上层所在平面共面；曲腿框架前后侧边的中心处之间安装一纵梁；纵梁的正下方设置有摆杆，摆杆的一端与座椅框架下层铰接，另一端铰接有滚轮；摆杆中部与长连接杆A一端铰链连接，长连接杆A另一端通过背板框架横梁B与背板框架铰链连接；腿板框架与座椅框架间的相对运动通过电动推杆B控制，电动推杆B的机体端与座椅框架下层铰链连接，电动推杆B的推杆端与腿板框架铰链连接；所述脚板框架的后部侧边通过铰链与腿板框架的前部横梁铰链连接，脚板框架上竖直连接有脚板连杆；长连接杆B的一端与脚板连杆铰链连接，长连接杆B的另一端铰接在：座椅框架上层与座椅框架下层前部横梁间固连的座椅竖梁上；所述并联机构由四个电动推杆C构成，四个电动推杆C的电机端均通过万向铰链与上层安装框架铰接，四个电动推杆C的推杆端分别通过万向铰链与座椅框架下层铰接，上层安装框架上的四个万向铰链间的连线与座椅框架下层上的四个万向铰链间的连线均成矩形；所述的床体为筒状的矩形结构，在床体的侧面上设计有开口，床体顶面上设计有床面， 床面上开有与开口连通的床椅转换机构设置口；所述控制系统用来实现床椅转换机构的移动、各电动推杆的控制以及床椅转换机构1与床体间的自动对接控制，包括控制器、操纵杆、按键面板、激光雷达、碰撞传感器、电机驱动器、推杆驱动器与推杆驱动器，以及标记板A、标记板B、标记板C；其中，操纵杆用来将床椅转换机构的x、y轴输入变量发送给控制器，控制器将操纵杆发送的x、y轴输入变量转换成四个驱动电机的速度vr、vl、vf、vb： v r = k 1 x + k 2 y v l = - k 1 x + k 2 y v f = k 2 y v b = k 2 y - - - ( 1 ) 其中，vr、vl、vf、vb分别为位于左、右、前、后的驱动电机速度；k1、k2为比例常数；由此，通过控制器将四个驱动电机分别发送给分别用来驱动四个驱动电机的四个电机驱动器，从而通过四个电机驱动器分别控制各个驱动电机的速度，实现床椅转换机构的前进、后退及转弯；所述按键面板向控制器发送电动机推杆A的控制信号，通过控制器将接收到的电动推杆A的控制信号发送给安装在床椅转换机构上的推杆驱动器A，由此通过推杆驱动器A控制电动推杆A的伸长与缩短，实现背板框架的抬起或放下；同理，通过按键面板向控制器发送电动机推杆B控制信号，通过控制器将接收到的电动推杆B的控制信号发送给推杆驱动器A，由此通过推杆驱动器A控制电动推杆B的伸长与缩短，实现腿板框架与脚板框架的抬起或放下；通过按键面板向控制器发送电动推杆C控制信号，通过控制器将接收到的电动推杆C的控制信号发送给推杆驱动器B，由此通过推杆驱动器B控制电动推杆C的伸长与缩短，实现床椅转换机构的前后左右方向倾斜的控制；所述激光雷达以及标记板A、标记板B与标记板C，用来实现床椅转换机构与床体间的对接，其中，标记板A位于床体前侧床面下方，标记板B位于床体后侧床面下方，标记板C位于床体中开口所对一侧床面下方，标记板A、标记板B、标记板C分别与所处的床体侧面平行；激光雷达安装在床椅转换机构中座椅框架上，位于座椅框架一侧；将激光雷达所在位置设为原点O，指向床椅转换机构正后方方向为X轴方向，指向床体且与X轴垂直的方向为Y坐标方向，通过激光雷达实时扫描三个标记板A、标记板B、标记板C，得到标记板A上的各个点相对于坐标系XY的坐标点(x1,y1)、标记板B上的各个点相对于坐标系XY的一系列坐标点(x2,y2)以及标记板C上的各个点相对于坐标系XY的一系列坐标点(x3,y3)，发送给控制器，通过控制器进行处理，具体为：Ⅰ、分别拟合标记板A、标记板B与标记板C在XY坐标系下的直线方程y1＝a1+b1x、 y2＝a2+b2x、y3＝a3+b3x，通过下式完成： b i = x i y i ‾ - x i ‾ y i ‾ x i 2 ‾ - x i ‾ 2 a i = y ‾ i - b x ‾ i - - - ( 1 ) 其中，ai为直线在Y轴上的截距，bi为直线的斜率；i=1、2、3；Ⅱ、根据拟合后的标记板A、标记板B与标记板C在XY坐标系下的直线方程，得到三条直线的倾斜角θi及直线距原点的距离di： θ i = arctan ( b i ) × 180 π d i = a i 1 + b i 2 - - - ( 2 ) Ⅲ、获得标记板B的中点P在XY坐标系下的坐标(xP,yP)，及标记板B相对于床椅转换机构的偏角α： x P = 1 2 ( d 1 - d 3 ) y P = d 2 α = 1 3 ( θ 1 + θ 2 + θ 3 - 180 ) - - - ( 3 ) 其中，d1为激光雷达所在坐标原点O到标记板A的距离，d2为激光雷达所在所在坐标原点O到标记板C的距离；d3为激光雷达所在坐标原点O到标记板B的距离；θ1、θ2、θ3分别为标记板A、B、C的直线方程在XY坐标系的倾斜角；Ⅳ、令床椅转换机构与床体在对接完成状态时，P点坐标为(x′P,y′P)，标记板B相对于床椅转换机构的偏角为α′，则通过控制器根据式（4）得到床椅转换机构的四个驱动电机的速度vr、vl、vf、vb： v r = k y ( y P - y ′ P ) + k α ( α - α ′ ) v l = k y ( y P - y ′ P ) - k α ( α - α ′ ) v b = k x ( x P - x ′ P ) + k α ( α - α ′ ) v f = k x ( x P - x ′ P ) - k α ( α - α ′ ) - - - ( 4 ) 由此，使四个驱动器按式（4）中的转速分别控制四个驱动电机的工作，便可实现床椅转换机构与床体间的对接；所述床椅转换机构中座椅框架左侧面安装有碰撞传感器，当床椅转换机构中座椅框架左侧面与床体接触后，通过碰撞传感器向控制器发送碰撞信号，控制器接收到控制信号后，控制四个驱动电机停止运动。