iCAREbot機器人

李玉杰，宋曉萌，宋凌寧，許力丹

1 作品簡介

iCAREbot醫療垃圾自動撿拾機器人具有以下特點：

（1）實現機器人在醫院復雜環境下的靈活運動；

（2）設計能夠靈活抓取/放置物品的機械手系統；

（3）機器人自主規劃移動路徑，在高速運動的同時能夠自主規避障礙；

（4）機器人準確識別常見醫療垃圾，如紗布、針筒、一次性用品等；

（5）服務機器人能夠與用戶進行語音交互，完成一般指令；

（6）實現對室內空氣質量的實時監測；

（7）協調各機構的運轉，保證機構間相互配合；

（8）對設計的機構進行對應的校核計算，畫出對應的三維及二維圖紙；

（9）對上述三維設計圖進行結構仿真模擬，檢測其可行性與穩定性；

（10）對其進行不斷優化和完善；

（11）根據最終得到的數據和控制結果進行模型搭建并調試。

機器人具體功能邏輯如圖1所示。

圖1 機器人功能邏輯圖

機器人實物如圖2所示。

圖2 機器人

2 工作原理

本機器人采用面向對象的設計方式，對軟硬件進行了多層次的抽象。

系統最上層為HTPC層，運行Windows10系統，運行于其上的人機交互界面程序由C語言編寫，負責機器人各軟硬件資源的調度。

系統第二層為Arduino層，其上C++編寫的程序通過Serial Port協議與HTPC通信，可對各傳感器的細節操作進行抽象。

系統第三層為多軸控制器層，該層通過虛擬串口與Arduino層相連，本質上是以STM32為核心的單片機，負責響應上層指令，并發出多路脈沖。

系統第四層為閉環步進電機驅動板，通過普通I/O口響應多軸控制板的指令，下與電機相連，統籌電機各相繞組的通斷。

系統第五層為物理層，該層由多個脈沖閉環步進電機構成，驅動車體及機械手臂運動。

本機器人的一大特點是可以實現室內自主導航。選用UWB超寬帶定位、激光雷達、慣性導航相結合的方案，可以實現厘米級帶有移動障礙物的室內自主導航和避障。UWB超寬帶定位負責給出機器人的空間坐標，激光雷達負責對場內地圖進行建模，以及對臨時移動障礙物及時避障，慣性導航負責對信號以及視野盲區的偏差進行修正彌補。程序運行層圖如圖3所示，程序運行流程如圖4所示。

圖3 程序運行層圖

該機器人運用了深度學習技術，可通過Python編寫的程序與C#編寫的人機交互界面溝通，也可與TensorFlow Object Detection API交互，實現對視野內常見物體的識別。識別完成后通過Python編寫的基于OpenCV的傳統視覺方案對識別出的物體進行精準定位，并上傳物體名稱和空間坐標至人機交互程序，由人機交互程序下達命令控制移動機器人及機械手臂完成抓取等動作。

3 創新點

該機器人采用4個麥克納母輪組合的方式進行移動。移動底盤結構原理如圖5所示。該底盤移動系統由4個獨立電機驅動的麥克納母輪（圖中標注1）組成，4個輪子對稱的安裝在方形底盤架（圖中標注2）四周。移動底盤結構實物如圖6所示。

圖5 移動底盤結構原理圖

圖6 移動底盤結構實物圖

在4個麥克納母輪呈正方形排布的情況下，能夠實現機器人的靈活運動。通過上位機程序協同控制，實現機器人的萬向移動。

4 市場前景

當前智能機器人市場不斷擴大，醫療機器人市場潛力巨大。醫療衛生機構在對醫療垃圾的撿拾與回收階段存在諸多問題，因此需要智能機器人為其提供更多輔助作業。

國家政策的支持也為我們提供了發展空間。早在2003年，我國國務院就已頒布《醫療廢物管理條例》，用以規范醫療廢物的處置和回收；2004年，國家環境保護總局污染控制司和國家衛生部醫政司編寫出版了《醫療廢物管理國家法規與標準》；2017年，國家衛計委印發《關于進一步加強醫療廢物管理工作的通知》。國家對于醫療垃圾管理和處置問題的高度重視是我們研發的不竭動力。