目前,在医院手术室和病床之间运送病人的主要工具是普通的移动病床。这种运送方式存在以下严重缺陷：(1)病人的上下床基本上依靠医护人员的辅助,这种方法不仅效率低,而且容易对医护人员造成一些类似于拉伤、扭伤等意外的身体伤害。(2)医护人员搬运操作的力量和姿势无法标准化控制,极易对病人身体造成冲击,尤其是对脊柱受损或手术后的病人进行搬运,很容易对病人造成再损伤,甚至危及生命安全。(3)伤病员的换床主要采用人工搬运,在对患有传染性疾病患者的搬运时,医护人员易受感染,威胁医护人员身体健康。另外,发生大规模突发性灾难事件时,伤病员的数量急剧增加与医护人员数量的有限形成矛盾,会出现重伤员不能及时救治护理的情况。伤员换乘转运机器人的出现,可以有效解决上述问题,用于实现对伤员的无痛安全搬运,不仅可以快速有效的救援伤员,降低救助人员的工作量,而且在灾难和战场救援时,还可以有效保护救援人员的人身安全。课题组前期研制出了一种伤员换乘转运机器人,采用基于Mecanum轮的全方位移动底盘,可以在医院等人员密集、空间狭小的环境中沿任意方向运动。由于底盘具有较高的运动自由度和精确定位能力,以及机器人的半自主作业能力,使得伤员换乘转运机器人可以替代医护人员进入传染病房、隔离病房等危险区域执行护理工作；机器人换乘手臂采用整体直插式设计,利用传送带技术和接触点相对静止技术,在无需搬动患者的情况下实现安全、无痛换乘,尤其是对烧伤、脊柱损伤或术后病人的转运很有帮助,可以有效避免对患者造成二次伤害。另外,该机器人操作简单,能够实现伤员搬运的自动化,有效降低了医护人员的劳动强度,减少工作量；有效解决了病床、手术床和检查设备之间的换床问题。通过对课题前期研制的伤员换乘转运机器人的测试数据和调查问卷进行总结,发现其行走机构存在以下几点不足：(1)运动过程中出现规律性的振动现象。(2)沿X、Y轴直线行驶时,实际运行轨迹与预设轨迹偏差较大。(3)当某个轮子出现打滑时,会导致伤员换乘转运机器人出现抖动现象,影响机器人行走时的平顺性。本课题研究的目的就是对上述问题进行分析研究,从伤员换乘转运机器人移动底盘的结构、控制系统以及软件程序方面进行改进和优化,提高换乘转运过程中护理人员对机器人的操控性和伤员的舒适性。本文主要针对上述问题,对伤员换乘转运机器人全向移动底盘的机械结构和控制系统进行优化,其主要内容如下：第二章主要研究伤员换乘转运机器人运动过程中出现的周期性振动问题。首先介绍了Mecanum轮的结构组成,根据实际情况和小滚子特点选择中间支撑的分段式结构。根据其结构推导出小滚子的理论外廓曲线方程。根据全向移动底盘的机构布局及其全向移动原理,以单个Mecanum轮为研究对象,建立平面坐标系,对全向移动技术原理进行深入研究,计算其数学运动模型,确定全向移动底盘移动方式与四个轮子速度的关系。然后根据Mecanum轮的工作状况对小滚子进行受力分析,并以此为基础,在ANSYS仿真软件中对Mecanum轮的滚子橡胶外壳进行有限元分析,通过分析计算,全向移动底盘的周期性振动主要是由滚子橡胶外壳的挤压变形引起的。由此利用橡胶外廓的变形量对其相应位置进行补偿,并根据滚子的重合度修正各滚子的补偿量,最后在此基础之上增加横向花纹,吸收橡胶外壳的挤压变形量,不仅可以防止橡胶外壳的脱落,还能有效提高全向移动底盘运行时的平滑性。第三章主要对伤员换乘转运机器人原理样机的全向移动底盘控制系统进行研究,针对伤员换乘转运机器人直线运动时出现的轨迹偏移现象,引入可以测量航向的姿态传感器,制定基于航向的模糊控制策略。利用陀螺仪、加速度器以及电子罗盘采集的数据,通过基于四元数的卡尔曼滤波器实现全向移动底盘的姿态解算,为设计的控制策略提供实时的航向信息。根据当前电机的速度确定航向修正的上限值,保证对电机速度的反馈调节保持在合理的区间内,避免因调节过大而出现抖动现象及调节过慢引起纠偏时间过长的问题。第四章和第五章是全向移动底盘的硬件和软件设计。介绍了全向移动底盘控制系统的整体结构,主要由操作手柄、微处理器(MCU)、电机控制驱动器、姿态传感器(IMU)和电机构成。其研究内容主要有以下几个方面：1.主控制器与操作手柄的通信：主控制器与操作手柄能否通信以及通信数据是否有效直接关系到全向移动底盘的运行状况。为保证操作手柄数据通信的准确性,本文设计了CAN总线通信电路,并根据操作手柄的通信协议设置通信波特率以及通信ID,以保证主控制器与操作手柄的正常通信。2.操纵手柄的数据提取及改进：根据操作手柄的数据格式,编写相应的软件程序提取操作手柄的各轴数据。在实际操作过程中,手的抖动很容易造成手柄数据的偏差,从而影响移动平台的移动精度和操控性,为此本文充了各轴的有效区间,并选取合理有效的区间范围,在保证移动平台灵敏度的情况下有效避免因为手的抖动而引起的运动偏差。3.电机速度解算与驱动电路设计：根据全向移动平台电机的安装方式,改进全向移动数学模型,并依此模型对操作手柄的数据进行解算以获得各电机转速大小和方向。将电机速度按比例转化为PWM脉冲,通过阻容电路将其转化为模拟电压信号以控制电机驱动器,实现电机的速度调节。设置合理的手柄加速曲线,提高全向移动底盘的稳定性和操控性。4.姿态传感器(IMU)：介绍了姿态传感器的各组成模块以及各模块间的通信方式。姿态传感器通过USART接口与主控制器实现数据交换,为保证数据交换的准确性,数据之间采用一定的数据帧格式进行交换,当校验无误后,才对接收到的数据进行处理。并且在IMU的主控制器芯片中完成基于航向的模糊控制运算,将修正后的各电机速度发送给主控制器,实现基于航向的电机调节。第六章对优化后的滚子进行了受力加载变形试验,验证了滚子橡胶外壳有限元分析的准确性。利用IMU模块上的陀螺仪测试全向移动底盘的振动特性,验证滚子优化后提高了全向移动底盘行走时的平稳性。利用光电轨迹采集器采集全向移动底盘的行走轨迹,验证基于航向的模糊控制方法的有效性。本文第七章对全文进行了总结并对今后的研究提出了以下两个建议：1.Mecanum轮结构的改进。由于Mecanum轮的结构特性,在行走过程中难免会出现振动现象,影响全向移动性能,本文虽然对Mecanum轮的廓线进行修正,运行效果有了明显改善,但仍需对Mecanum轮的廓线补偿理论进行更深入的研究,提高全向移动底盘的行走性能。2.本文运用了基于四元数的卡尔曼滤波器,实现全向移动底盘的航向解算。但在振动比较严重时,或有磁场干扰时,解算的结果会出现较大偏差,从而影响控制精度。因此有必要深入研究基于多传感器的姿态解算算法。为基于航向的全向移动底盘控制奠定基础。本文研制的全向移动底盘,在机械结构和控制方法方面都有所改进。本文的创新点主要有以下两个方面：1.利用ANSYS软件仿真分析小滚子运行过程中的变形情况,优化了小滚子的外廓曲线,提高了全向移动底盘运行时的平稳性。2.利用陀螺仪、加速度计及电子罗盘组成的姿态传感器,实时测量计算机器人的航向,并采用基于航向的模糊控制方法对各电机速度进行修正,实现了全向移动底盘的直线移动性能,提高了操控性。