淺析家庭醫療與服務機器人的設計

摘 要：為參加中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽醫療與服務機器人賽項而設計制作的機器人，闡述了該機器人的總體結構設計，硬件組成及特點。經過機器人大賽的考驗，證明了該設計有較好的穩定性及可靠性。

關鍵詞：RoboCup；機器人；醫療與服務

1 概述

醫療與服務機器人是一種智能型服務機器人，它能夠自主完成一系列的操作計劃，依據實際環境狀況做出相應的應變操作，執行醫療與看護任務，處理突發事件。文章介紹的機器人是中國機器人大賽醫療與服務機器人比賽項目一等獎獲獎作品。

2 機器人主體設計

機器人針對老弱病殘孕家庭設計，因此具備以下功能：（1）正確判斷機器人所處的房間和在房間中所處的方位；（2）正確檢測出房間內的墻壁、家具等障礙物；（3）為他人測量血壓心率生命體征參數，進行人機交互；（4）為家庭的行動不便者提供日常簡單護理，如為人端茶送水、送飯、取送藥瓶及服藥提醒等。為防止機器人工作時候出現堵轉現象，考慮到重心問題，機器人不能太高，底盤采用圓柱形。底盤由四個輪子共同支撐，左右兩側為驅動輪，由兩個直流電機通過變速齒輪箱減速驅動，驅動輪內側安裝有碼盤，前后兩個萬向輪起到支撐和導向的作用，底盤設計如圖1所示。

底盤上方裝有紅外傳感器，用來檢測近距離障礙物，底盤邊緣均勻分布裝有紅外接近傳感器，防止機器人運行時懸空；在底盤的四周裝有碰撞傳感器；機器人的左右手臂采用伺服電機驅動，左手為三自由度機械夾手，右手安裝有腕式血壓計，胸部有LCD顯示器。頭部的前方和后方裝有超聲波測距傳感器，用來檢測周圍環境。

3 硬件系統設計

硬件系統主要由主控模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、人機交互模塊、電源模塊組成。

3.1 機器人控制系統

主要任務是根據傳感器和編碼器等反饋回來的數據進行路徑規劃，執行行走、手臂動作，在LCD上顯示機器人狀態，環境數據，檢測數據。控制系統采用ARM CortexTM-M3處理器作為機器人的核心。

3.2 電機驅動模塊

由直流電機驅動電路和伺服電機驅動板組成，包括用于行走的直流電機和用于機器人左右手臂運動的伺服電機。行走電機驅動采用直流電機驅動芯片（AS611），主控模塊提供給驅動模塊的信號是方波，采用不同的脈寬調節平均電壓的高低，進而調節電機的轉速，即脈寬調制（PWM）。AS611每路電機控制輸出為1A，并有超載保護功能。伺服電機驅動板如圖2所示，帶有伺服電機堵轉斷電保護功能安全可靠，和主控模塊通過ASBUS總線（類似于ISA和PCI總線）連接。

3.3 傳感器模塊

主要包括用于測量和感知障礙物的超聲模塊、紅外接收模、碰撞傳感器模塊以及其他溫度、濕度、人體熱釋片傳感器等組成多傳感器系統。機器人由于工作環境的原因，必須具備檢測各種大小、高低、顏色的障礙物，超聲波是一種非接觸式的檢測技術，在空氣中傳播不受光線、煙霧、電磁場等外界因素的干擾，與紅外傳感器相比，超聲傳感器感應距離更遠，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超聲波測距系統可以有效地完成遠距離的障礙物檢測。紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高，用于檢測近距離障礙物。從紅外管側面和后面漏出的紅外光也會被接受模塊探測到，兩邊的紅外發射管和中間紅外接收器都是先裝在套管里再固定在底盤上的，有效的避免了這種情況的發生。紅外傳感器是靠發射并接收由障礙物反射回來的紅外光來判斷是否有障礙，紅外光以60度的散角向外發射，紅外接收模塊正好處于左右兩個反射光區域內，接收到那一側紅外發射管的反射光，就認為這一側有障礙，接收到左右兩側反射光，即認為前方有障礙。人體熱釋片傳感器對移動的人體熱源敏感，加上菲涅耳透鏡后可以探測10米外的人體。

3.4 人機交互模塊

人機交互模塊包括語音識別、LCD液晶顯示、LED指示燈和喇叭。語音識別：采用RSC-300/346語音識別芯片，命令識別后輸出特征信號，主控芯片對識別的電平信號進行檢測，用位操作的形式實現對機器人的其他模塊操作，以實現機器人的語音控制。

4 結束語

本設計制作的機器人可在簡單的環境下，與人交互，完成取送食品藥物的任務，握手測量血壓心率，檢測環境溫度、適度，要達到實用需要很多的研究和改進，在功能和傳感器的使用上需要進一步擴展，另一方面可以運用智能空間技術，把感知器件分布地安裝在空間位置上，實現對家庭空間內部人和物的全面感知，通過執行器實現醫療與服務任務，同時為機器人提供更加完備的環境信息，以降低機器人本體攜帶感知器件的要求。對于醫療測量的血壓、心率等數據，可以通過云存儲、云計算進行特征分析，以提高對疾病預測的準確性。

參考文獻

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