基于麥克納姆輪的病房物資運送車

陳禹睿

摘? 要：基于幫助改進病房醫(yī)護人員保護措施的想法，該項目研發(fā)了一種基于麥克納姆輪的病房物資運送車，并已完成樣機的開發(fā)、調(diào)試和測試。該項目設備可以在醫(yī)護人員遠程操作遙控下，非常靈活地進出隔離區(qū)和非隔離區(qū)間的狹小物資通道，并在病房和通道內(nèi)以任何角度進行平移、滾轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、行進等，實現(xiàn)醫(yī)護人員無需近距離接觸病患的情況下，病房物資的運送（例如每日若干次送入檢測試管，運送出從病患身上采集的需要檢測分析的各類分泌物樣該）。由于采集病患分泌物（唾液、尿液等）進行分析、檢測，以判斷病患的病毒感染情況和病情治療效果等是每天需要進行一次或多次的，因此，采用該項目設備可以極大地減少醫(yī)護人員直接近距離接觸病患和被感染的幾率，同時，由于醫(yī)護人員不需要進入病房隔離區(qū)，也可以大量地節(jié)省防護服、口罩、護目鏡和手套等重要、緊缺的醫(yī)療物資。此外，該項目小車在從病房出來后（試管密封）或使用后（取走非密封的試劑盒），可以直接使用噴灑消毒藥水、紫外線等最簡單有效的方式進行快速消毒處理，減少了醫(yī)護人員接觸感染的風險，節(jié)省了醫(yī)療物資，同時也提高了工作效率。

關鍵詞：麥克納姆輪? 單片機? 固件? 2.4G

中圖分類號：TP23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2020）09（c）-0073-08

Abstract： Based on the idea of helping to improve the protection measures of ward medical staff， this project has developed a kind of ward material delivery vehicle based on Mecanum wheel， and has completed the development， debugging and testing of the prototype. Under the remote control of medical staff， the equipment of the project can enter and exit the narrow material channel in the isolation area and non isolation area very flexibly， and can translate， roll， rotate and travel in place in the ward and channel at any angle， so as to realize the delivery of materials in the ward （for example， several times a day into the test tube） without close contact with patients， Deliver all kinds of secretion samples collected from patients that need to be tested and analyzed）. Because it is necessary to collect the patient's secretion （saliva， urine， etc.） for analysis and detection to judge the virus infection situation and treatment effect of the patient's condition once or more times a day， using the equipment of this project can greatly reduce the probability of medical staff's direct close contact with the patient and being infected. At the same time， medical staff do not need to enter the ward isolation area. It can also save a lot of important and scarce medical materials such as protective clothing， masks， goggles and gloves. In addition， after the trolley of the project comes out of the ward （sealed test tube） or is used （unsealed reagent box is taken away）， the simplest and most effective way such as spraying disinfectant solution and ultraviolet ray can be directly used for rapid disinfection treatment， which reduces the risk of contact infection of medical personnel， saves medical materials， and improves work efficiency.

Key Words： Mecanum wheel; MCU; Firmware; 2.4G

出于改進病房醫(yī)護人員保護措施的目的，我們開發(fā)了一種基于麥克納姆輪的病房物資運送車，可以在醫(yī)護人員遠程操作遙控下，靈活地進出病房區(qū)域的狹小物資通道，并可以以任何角度進行平移、滾轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、行進等，實現(xiàn)醫(yī)護人員無需近距離接觸病患的情況下，完成病房物資的運送。論文給出了該產(chǎn)品的設計方案、關鍵技術(shù)和核心部分的實現(xiàn)方法，并通過實測結(jié)果的比較驗證了該產(chǎn)品的實際效果，以及相比現(xiàn)有產(chǎn)品的改進情況。

1? 選題背景

1.1 需求背景

醫(yī)院的醫(yī)護人員是接觸病毒、病菌最多的群體，也感染率最高的人群。特別是在疾病流行期間，因為病患們的數(shù)量與日俱增，加上病毒、病菌的高傳染性，在人員繁雜的工作環(huán)境下，再完備的保護隔離措施也免不了醫(yī)護人員和病患們的密切接觸。長時間的工作和超負荷的勞動量使得醫(yī)護人員的身體和精神受到了雙倍的考驗，身體免疫力也會因此下降。再加上長時間與病患密切接觸，會使得醫(yī)護人員更容易感染病毒。救治病患雖然是醫(yī)護人員的天職，但是醫(yī)護人員的身體健康、生命安全更為重要。醫(yī)護人員自身沒有得到好的健康保障的話，病患的救治就會停滯不前，會造成更嚴重的損失。所以，在關注病患救助的同時，也要關注醫(yī)護人員的健康與否，我們應該盡自己所能去幫助他們。

經(jīng)過多方資料收集和調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)在當前的臨床實踐中，有大量的醫(yī)護人員需要近距離接觸病患，而在有一些場合下，特別是病患可以自理的情況下（如大量的非ICU輕癥病患、疑似病患等），病患可以自己進行藥物的服用，以及每日需要一次或多次檢測的唾液、尿液等分泌物樣本的采集，只需要將藥物送到病床邊以及將采集的樣本送交病理即可。這部分的工作并不一定需要由醫(yī)護人員推著手推車來進行，而是可以使用機器人進行。同時，還需要考慮到部分地區(qū)病患數(shù)量較多，病房為了收治更多的病人，盡可能地加大了病房的負荷人數(shù)，導致病房的通道更為狹窄，此外，隔離區(qū)和非隔離區(qū)間的物資通道一般也是十分狹小的。因此，即使使用機器人方式進行物資運送，對機器人的體積、靈活性、可控性也是有著特殊要求的。

因此，經(jīng)過進一步調(diào)研現(xiàn)有方案和技術(shù)情況、以及它們的優(yōu)缺點，該項目規(guī)劃、設計了一種基于麥克納姆輪的小車，用于在病房運送物資，減少醫(yī)護人員接觸病患的幾率，降低醫(yī)護人員被傳染的幾率，節(jié)省醫(yī)療物資，方便消毒處理，提高整體工作效率。

1.2 技術(shù)背景

通過調(diào)研和討論，針對項目目標，該項目選擇了麥克納姆輪作為該項目小車最重要的部件。麥克納姆輪是一種特殊結(jié)構(gòu)的輪子，基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法向力上面。

依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便地實現(xiàn)全方位移動功能。

考慮到麥克納姆輪的上述優(yōu)點和特點，以及該項目的實際需求和應用場景、環(huán)境情況，該項目的病房物資運送車選擇了基于麥克納姆輪來實現(xiàn)可遙控的物資運送車。同時，綜合考慮了時間進度和技術(shù)難度，該項目選擇了相對較為容易實現(xiàn)，技術(shù)上也比較成熟的2.4G無線通信技術(shù)和STM32芯片作為電子學部分的主要載體，并在整體設計時為以后的升級預留了藍牙模塊硬件，方便以后進一步的升級和改進。最終，該項目所實現(xiàn)的物資運送車可以遙控控制，非常靈活的進行全向移動（平移、滾轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等）而不需要進行傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎，可以在很小的移動空間中進行靈活的移動，其移動靈活性也將優(yōu)于需要原地旋轉(zhuǎn)的履帶小車或者萬向輪小車（某些情況下可能沒有足夠的空間進行原地旋轉(zhuǎn)），適應通道、空間最小化的病房和狹小物資運送通道的應用場景。在病房臨床實踐中，醫(yī)護人員只需要在隔離區(qū)外的安全地區(qū)對小車進行遙控即可，盡量減少醫(yī)護人員同患者的接觸，大大降低醫(yī)護人員被傳染的幾率。

2? 現(xiàn)有的技術(shù)和方案情況

經(jīng)過對所收集到的資料的整理和理解，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的實現(xiàn)方案，主要是醫(yī)護人員穿戴全套防護服，推著手推車進出隔離區(qū)或病房進行物資的運送，這個方案所存在的缺點包括以下幾個方面。

（1）醫(yī)護人員每日頻繁且近距離接觸大量的病患，容易被傳染。

（2）醫(yī)護人員每日多次進出隔離區(qū)或病房，需要消耗較多的緊缺醫(yī)療資源（口罩、護目鏡、防護服）。

（3）醫(yī)護人員有體能限制，其工作時長有限，且穿脫防護服及反復消毒也耗費極大體力。

（4）醫(yī)護人員會產(chǎn)生心理壓力，長期會影響工作情緒和健康。

（5）醫(yī)護人員如果被傳染，自身也成為病患，則需要投入更多的醫(yī)療資源來治療醫(yī)護人員本身，在疾病爆發(fā)的時期出現(xiàn)這種情況會使得原本不充裕的醫(yī)療資源雪上加霜。

通過對現(xiàn)有技術(shù)方案進一步調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)除了傳統(tǒng)的人工推手推車的方式進行物資的運送之外，部分場景也在使用普通小車機器人方案進行物資運送，這個方案所存在的缺點包括以下幾點。

（1）對于使用普通轉(zhuǎn)向輪的小車，存在轉(zhuǎn)彎半徑的問題，在狹小的空間、通道內(nèi)可能會沒有足夠的空間進行轉(zhuǎn)彎。

（2）對于使用驅(qū)動輪+萬向輪的小車，同樣也可能存在轉(zhuǎn)彎半徑的問題。

（3）對于使用履帶的小車，雖然通過原地旋轉(zhuǎn)來規(guī)避轉(zhuǎn)彎半徑的問題，但是在存在負載物體的情況下，非圓形的負載有可能會在旋轉(zhuǎn)期間碰撞到其他地方。

（4）在需要多小車協(xié)同工作，承擔負載的場合無法使用。

3? 該項目的實現(xiàn)方案

3.1 項目目標和效果

該項目基于麥克納姆輪的病房物資運送車，可以在醫(yī)護人員遠程操作遙控下，非常靈活地進出隔離區(qū)和非隔離區(qū)間的狹小物資通道，并在病房和通道內(nèi)以任何角度進行平移、滾轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、行進等，實現(xiàn)醫(yī)護人員無需近距離接觸病患的情況下，完成病房物資的運送（如每日若干次送入檢測試管，運送出從病患身上采集的需要檢測分析的各類分泌物樣本）。

該項目樣機具體實現(xiàn)了以下功能。

（1）實現(xiàn)基于麥克納姆輪的病房物資運送車和遙控器，可以非常靈活地運動（各種角度的平移、滾轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)），云臺可運動，可使用遙控器來控制小車做出以上運動。

（2）運送車的云臺上可攜帶試劑盒及一定量的試劑樣本。

（3）運送車在操作者的無線遙控下，可以在狹窄的空間和通道內(nèi)自如地運動。

由于采集病患分泌物（唾液、尿液等）進行分析、檢測，以判斷病患的病毒感染情況和病情治療效果等是每天需要進行一次或多次的，因此，采用該項目的設備可以極大地減少醫(yī)護人員直接近距離接觸病患和被感染的幾率，同時，由于醫(yī)護人員不需要進入病房隔離區(qū)，也可以大量地節(jié)省防護服、口罩、護目鏡和手套等重要、緊缺的醫(yī)療物資。此外，該項目小車在從病房出來后（試管密封）或使用后（取走非密封的試劑盒），可以直接使用噴灑消毒藥水、紫外線等最簡單有效的方式進行快速消毒處理，減少了醫(yī)護人員感染的風險，節(jié)省了醫(yī)療物資，同時也提高了工作效率。

該項目設計的運送車可以在擁擠狹窄的走道內(nèi)進行任意角度的平移，使它在運送物品時相比普通小車有著一定的優(yōu)勢（無需轉(zhuǎn)彎，因此就不需要轉(zhuǎn)彎半徑）。在爆發(fā)疾病的形勢下，病房內(nèi)有可能塞入更多的病床，使得通道更為狹窄，這種情況下，普通小車只能通過原地旋轉(zhuǎn)來減少轉(zhuǎn)彎半徑，但如果載荷物體或者小車本體形狀為長方形（非圓形），原地旋轉(zhuǎn)也有可能會觸碰周圍物體，而該小車無需進行旋轉(zhuǎn)即可通過水平移動從通道中間方便地“擠”過去。

結(jié)合現(xiàn)實，制作出來的樣機情況（圖1為樣機實物圖），該項目樣機相比現(xiàn)有技術(shù)和方案具有以下優(yōu)勢。

（1）運送車是機器人的一種，不會被傳染，生物體的細菌病毒對于機器人沒有任何作用。

（2）操作人員可以在安全的區(qū)域內(nèi)對小車進行無線遙控操縱，使用了該方案后可以大幅度減少醫(yī)護人員近距離接觸病患的幾率，從而保護了操作人員，防止被傳染。

（3）機器人不會有心理壓力，不會出現(xiàn)心理問題。

（4）機器人不會因長時間、反復重復同樣工作而出現(xiàn)疲勞。

（5）機器人的消毒更方便，消毒成本更低。

（6）大幅度減少了口罩、護目鏡、防護服等重要醫(yī)療物資的消耗。

（7）該項目實現(xiàn)的運送車不存在轉(zhuǎn)彎半徑的問題。

（8）該項目實現(xiàn)的運送車還可以用于移動一些無法原地旋轉(zhuǎn)的負載（例如一個會跨過病床兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，比例如恢復架等，這樣的結(jié)構(gòu)只能平移而不能旋轉(zhuǎn)）。

（9）多臺該項目實現(xiàn)的運送車還可以多機協(xié)同運作。

3.2 項目關鍵技術(shù)

項目樣機上完成了以下關鍵技術(shù)的實現(xiàn)工作。

3.2.1 對麥克納姆輪的矢量控制

麥克納姆輪的運動控制比較復雜，需要進行速度矢量合成才能得到最終的運動速度（矢量速度），因此需要在單片機中使用特定的算法對此進行計算。

3.2.2 2.4G無線電

該小車使用2.4G無線電進行遙控。使用自定義的通信協(xié)議、雙向上下行通道，內(nèi)容包括運動指令、云臺指令，電池電壓數(shù)據(jù)回傳、報警、傳感器數(shù)據(jù)回傳等。該方案在器件選型時，決定使用的2.4G無線電芯片為24L01，該芯片是業(yè)界廣泛使用的2.4G ISM芯片，具有價廉物美、供貨量大、功耗低、采購方便、性能強大、工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。

3.2.3 電動機調(diào)速

麥克納姆輪需要對4個輪子分別進行調(diào)速控制，因此需要4路基于PWM的直流電機調(diào)速控制。通過單片機控制2片TB6612進行，每片有2路，一共4路。TB6612作為一款常用的直流電機調(diào)速芯片，具有價廉物美、供貨量大、采購方便、性能強大、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點。

3.2.4 STM32主控處理器

8、16、32位單片機的選擇很多，通過對各種單片機功能、性能、編程難度的綜合了解，該項目最終選擇使用STM32作為主控處理器，該處理器在業(yè)界廣泛使用，具有價廉物美、供貨量大、采購方便、性能強大、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點。

3.2.5 單片機固件的實時性、可靠性設計

考慮到編程難度和可擴展性，該項目使用了FreeRTOS，可以使用1片STM32來同時進行4個輪子的控制、云臺控制、傳感器監(jiān)控以及無線電通信。FreeRTOS是一款業(yè)界廣泛使用的RTOS，具有免費、性能強大、工作穩(wěn)定、占內(nèi)存小等諸多優(yōu)點。

3.2.6 蜂鳴器

樣機實現(xiàn)時，還在運送車上加裝了1個蜂鳴器，可以發(fā)聲，作為啟動設備的提示。

3.2.7 方便實用的操控界面

結(jié)合賽車游戲的操控方法，最終確定遙控器采用搖桿手柄的形式提供，這樣操作人員可以像打游戲一樣操控小車做出平移、滾轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、云臺旋轉(zhuǎn)等諸多操作。遙控器還具備一個OLED顯示屏，可以實時顯示小車的狀態(tài)，電池電壓等信息。這樣一來，系統(tǒng)就十分容易上手操作，且使用方便、人性化，有助于產(chǎn)品到位后，快速投入使用，節(jié)省了操作人員學習和熟悉使用的過程。

3.3 項目產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為2個部分：運送車和遙控器，見圖2為樣機系統(tǒng)架構(gòu)圖。運送車和遙控器的主控制器均采用Stm32單片機，性能強大，可擴展性好，價格合適。

3.4 軟件部分設計

軟件部分使用RTOS作為操作系統(tǒng)平臺，以及多任務并行方式。各主要任務軟件流程見圖3至圖5。

3.5 硬件電路設計

主控部分的原理圖設計見圖6。

電機驅(qū)動部分的原理圖設計見圖7。

IO接口部分原理圖設計見圖8。

4? 該項目的創(chuàng)新性

結(jié)合樣機調(diào)試、測試過程和實際使用效果，該項目具有以下技術(shù)和應用創(chuàng)新性。

（1）相對于傳統(tǒng)解決方案（醫(yī)護人員推手推車），該方案由于使用了可以遙控的小車，避免了醫(yī)護人員直接近距離接觸病患，降低了醫(yī)護人員被傳染的幾率，達到盡量保護醫(yī)護人員的效果。同時，不需要醫(yī)護人員一天多次穿脫防護服、進出病房和消毒，節(jié)省了人力，提高了工作效率，降低了醫(yī)護人員的工作強度，還可以將寶貴的醫(yī)護人力資源投入其他必要場景中。

（2）該項目所實現(xiàn)的小車可以做出遠超過普通小車的非常靈活的運動（尤其是水平移動）。在病房這樣的場景下，通道往往非常狹窄，可以水平移動的小車在這樣的場景下可以提高移動能力和工作效率。

（3）該項目實現(xiàn)的運送車可以非常方便的用消毒劑、紫外線等簡單、高效、低成本的方式直接消毒，節(jié)約了口罩、護目鏡和防護服等緊缺醫(yī)療物資。

（4）運送車不會被細菌、生物病毒等侵襲。

（5）利用該方案的運送車，通過多臺小車協(xié)同工作，還可以制造出一種可以自主移動的病床，將4臺小車墊在病床的4個腳上，可以將病床直接開走。而這種移動方式唯有該方案的小車可以做到，使用其他類型普通小車無法做到（必須要能夠平移）。

5? 相比現(xiàn)有技術(shù)和方案所能達到的改進效果

比對了現(xiàn)有技術(shù)和方案，該項目樣機相對于人工方案有很大的改進效果見表1。

相對于普通小車方案也有一定的改進效果見表2。

6? 該項目產(chǎn)品的預期應用領域

該項目產(chǎn)品主要考慮應用于狹小空間的醫(yī)療物資無人運送應用（病房垃圾通過狹窄通道的運送、醫(yī)療物資通過隔離區(qū)、隔離通道、隔離窗口等狹小區(qū)域的運送等）等。

通過發(fā)散性的交流和溝通，該項目產(chǎn)品通過放大體積、增加功率、多機協(xié)同工作、云臺更換負載設備等方式，可以實現(xiàn)和支持很多應用場景需求，例如物流分揀、遙控行李箱、地下探礦、山洞探索、危險生物種群探測、墓穴考古等。

7? 結(jié)語

當今國際形勢錯綜復雜，全球環(huán)境氣候變化導致生態(tài)圈發(fā)生變化，而我國又面臨著人口老齡化、勞動力減少、天災、瘟疫等重大威脅，因此，機器人在未來的各種領域中均會有作用。該項目所實現(xiàn)的物資運送車作為一種典型的輪式機器人，會在諸多領域發(fā)揮作用。

該項目關注于病房醫(yī)療領域的應用，提出了一種基于麥克納姆輪的物資運送小車，可以在擁擠狹窄的病房以及通道中自如地通行，代替醫(yī)療人員進行物資運送，減少了醫(yī)療人員接觸病患被傳染的幾率，節(jié)約了口罩、防護服等消耗性物資的使用。

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