醫(yī)療服務機器人設計與展望

方朋朋+管旭辰+董鍇文+胡凱

摘 要 隨著科學與技術的不斷發(fā)展，機器人研究的不斷深入與創(chuàng)新，應用于醫(yī)療服務事業(yè)的機器人也開始不斷地增加。醫(yī)療服務機器人的出現(xiàn)減輕了醫(yī)務人員的壓力，也為醫(yī)療服務事業(yè)的發(fā)展起到推進作用。促進了醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)不斷向前發(fā)展。為了實現(xiàn)機器人送藥、查房以及適應復雜地形等功能，采用了輪式、機械手等結構，已完成規(guī)定的任務。

關鍵詞 醫(yī)療服務；機器人；發(fā)展

中圖分類號 TP242 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）06-0027-02

目前，隨著世界機器人技術的不斷發(fā)展，應用于醫(yī)療事業(yè)的機器人也在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新，醫(yī)療服務機器人實現(xiàn)的功能也逐漸增多，例如機器人查房、機器人手術、機器人轉運傷員等各種功能。同時這些機器人內(nèi)部嵌入各種芯片，對各種環(huán)境都有很強的適應能力。為醫(yī)務人員減輕了負擔。我國的醫(yī)療服務機器人的發(fā)展相對落后一點，技術也并不像歐美那樣成熟，但是隨著科技的進步以及國內(nèi)對醫(yī)療服務的重視程度，醫(yī)療服務機器人正在不斷發(fā)展和壯大，相信不久之后，我國的醫(yī)療服務隨著醫(yī)療服務機器人的技術的成熟與發(fā)展將會更加完善。

根據(jù)實際情況和我國的醫(yī)療服務情景，該機器人是一款能夠適應較復雜地形，自主進行查房和代替護士送藥，并且能夠說一些作為護士對病人應該說的話語的智能機器人。

1 醫(yī)療服務機器人總體結構設計流程框圖

此醫(yī)療服務機器人采用主控芯片為STM32F10x芯片進行編程，結合超聲波測距、灰度傳感器模塊、觸控模塊、L298N芯片以及以絲桿為機械手臂來實現(xiàn)查房和送藥等功能，同時，通過喇叭來與病人進行交流。如圖1所示。

2 醫(yī)療服務機器人的結構介紹

2.1 醫(yī)療服務機器人機械手臂的運行

該機器人以絲桿來代替人體臂膀，可以進行精確的升降，從而確保能夠達到預定的位置。機械手通過L298N芯片來驅動直流電機的轉動，可以使機械手類似人類雙手一樣能進行張合，從而實現(xiàn)藥品的抓取和放置

絲杠的驅動則是通過程序來進行控制，通過編程以及超聲波測距可以較精確地把握升降高度，以便于更好地去服務，更準確地定位。在超聲波測得距離與設定的距離一致時機器人便會停止前進，開始通過絲桿帶動機械手來抓取物品，等完成后，便會返回進行送物品。

2.2 語音模塊

該模塊主要利用喇叭、AD芯片以及DA芯片實現(xiàn)模擬量與輸入量的轉換，同時通過語音識別，將外界的語音輸入芯片當中進行識別和分析，然后將之前設置好的語音通過喇叭播放出來，以達到與病人對話的效果。

2.3 灰度模塊及運動

此模塊是基于灰度傳感器的工作原理和輪式運動的優(yōu)勢，利用灰度傳感器將外界識別的灰度信息傳入芯片當中，從而控制4個底部的滾輪的運動，實現(xiàn)尋跡運動，以達到精確定位的功能。適應在規(guī)定區(qū)域按照規(guī)定的軌跡運行環(huán)境。

2.4 觸控模塊

在設計醫(yī)療服務機器人的時候考慮到機器人會隨時觸碰到一些障礙，為了能夠在觸碰障礙之后可以立即避開，在機器人的底座四周安裝了以觸控開關為主的觸控模塊，當機器人觸碰到障礙時，就會碰到觸控開關，產(chǎn)生電平的變化，從而使芯片發(fā)送轉移指令，使得機器人可以成功避開障礙。

3 醫(yī)療服務機器人主要芯片介紹

3.1 STM32芯片

該醫(yī)療服務機器人的主控芯片采用的是基于ARM的STM32芯片，其性能高、成本低以及功耗低，屬于32位的Cortex-M3處理器，有可嵌套的向量中斷控制器和60個可屏蔽中斷且有16個可編程優(yōu)先級[ 1 ]，更加適用于程序的編寫以及快速處理指令。而且由于目前工業(yè)上采用的實時收發(fā)系統(tǒng)體積比較大，對于超聲波測距來說不允許體積很大[ 2 ]，因此STM32F10x芯片是比較好的選擇，適合嵌入醫(yī)療服務機器人內(nèi)部，也可以減輕機器人本身的重量。

此外，STM32F10x采用C語言編程，讓程序更容易編寫和理解，也符合現(xiàn)今用從C語言編程的習慣。

3.2 L298N電機驅動芯片

醫(yī)療服務機器人能夠正常運行不可缺少的是電機，然而電機必須由驅動芯片來進行驅動才能夠轉動，從而帶動滾輪的滾動以及機械手的張合。L298N電機驅動芯片以其比較優(yōu)異的性能更加適用于此機器人的直流電機的驅動，其電路圖如圖3所示。

3.3 74LVC8T245芯片

由于STM32F10x芯片的IO口輸出的電流比較低，驅動一些比較大的負載比較困難，因此利用74LVC8T245芯片來增強IO口的驅動能力，它是是一個三態(tài)輸出八路收發(fā)器，在提高IO口驅動能力方面作用比較大，使醫(yī)療服務機器人各部分能夠有效的正常的運行。

4 醫(yī)療服務機器人實際運行情況介紹

在完成該醫(yī)療服務機器人的設計與制作之后，對其上述功能進行了實際的操作與實驗，經(jīng)過多次調試，該機器人可以基本實現(xiàn)醫(yī)療服務功能，能夠比較好的完成查房和送藥工作。

此外，該醫(yī)療服務機器人在參加2016年江蘇省機器人大賽醫(yī)療服務賽項中取得了較好成績。整個過程雖然有意外出現(xiàn)，但是整體完成的較好，準確率在85%以上。

5 總結與展望

在設計及制作完該醫(yī)療機器人之后，可以發(fā)現(xiàn)機器人的設計是一個相對較復雜的過程，要能夠實現(xiàn)對應的功能必須不斷地調試，同時，要選取合適的芯片及機器人結果，確保所設計的機器人能正常運行。除此之外，在現(xiàn)有基礎上也要加強機器人的完善，比如增加更加人性化的設置，如觸摸屏，液晶屏控制等[ 3 ]。

縱觀國內(nèi)外機器人的發(fā)展，相信在不久的將來，醫(yī)療服務機器人的發(fā)展將會更加的迅速，它將會朝著人性化工業(yè)化的方向發(fā)展，會給更多的人帶來便利。除此之外，醫(yī)療服務機器人也將會向高準確度，高可靠性、智能化方向發(fā)展[4]。未來，人類的雙手會得到充分的釋放，生產(chǎn)及工作效率會大大提高。

參考文獻

[1]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]榮少巍.基于STM32的實收實發(fā)超聲波檢測系統(tǒng)研究[J].國外電子測量技術，2014，33（9）：1-2.

[3]張毅，孫純興，李敏.醫(yī)療服務機器人功能設計及實現(xiàn)[J].機器人技術與應用，2011（6）：3-4.

[4]黃敏華，李勇，陳容紅.醫(yī)療服務機器人應用與發(fā)展研究報告[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，27（3）：4.