一種關(guān)于自由同步移動(dòng)式醫(yī)護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

郝婉秀，孟俊煥，朱傳達(dá)，韓稷瀠

（德州學(xué)院能源與機(jī)械學(xué)院，山東 德州 253023）

前言

隨著中國(guó)現(xiàn)代化水平的提高和人工智能的崛起，越來(lái)越多的智能機(jī)器人廣泛地應(yīng)用到了各行各業(yè)，醫(yī)療是一個(gè)關(guān)乎民生的行業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化將對(duì)患者的治療有著極大的重要作用。目前已經(jīng)有很多智能醫(yī)療發(fā)明應(yīng)用到了實(shí)際之中，給醫(yī)護(hù)人員和患者都帶來(lái)了極大的便利。

但目前我國(guó)的醫(yī)護(hù)水平還有待提高，特別是今年突然爆發(fā)的疫情，患者居多，然而醫(yī)護(hù)人員數(shù)量有限，對(duì)于一些需要長(zhǎng)期住院治療的人群來(lái)說(shuō)他們需要長(zhǎng)期的治療、持續(xù)地輸液，需要醫(yī)療器械的檢查，但同時(shí)他們也需要戶外漫步鍛煉，需要出去呼吸新鮮空氣等活動(dòng)，由于醫(yī)護(hù)人員有限，不能為每位患者提供長(zhǎng)時(shí)間陪伴的服務(wù)，故針對(duì)這種情況，我們推出了自由同步移動(dòng)式醫(yī)護(hù)設(shè)備，適用于那些需要離開病床活動(dòng)的患者。

1 移動(dòng)控制原理

四驅(qū)麥克納姆輪的移動(dòng)包括左右前后及斜向平移、左右轉(zhuǎn)向及中心自轉(zhuǎn)等，都是通過(guò)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪不同的轉(zhuǎn)向分配取得，車輪的配置如圖1所示：

圖1 車輪的配置

物理上我們都知道，速度是可以分解的，而麥克納姆輪正是利用速度方向的分解特性，在不改變車體方向的條件下實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)[1]。

1.1 車體的移動(dòng)與車輪轉(zhuǎn)向配置

（1）前行，示意如圖2所示：

圖2 車輪前行

（2）后退：同前行，四個(gè)車輪相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

（3）左移，示意如圖3所示：

圖3 車輪左移

（4）右移：同左移，四個(gè)車輪相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

（5）左前斜行，示意如圖4所示：

圖4 車輪左前斜行

（6）右前斜行、左后斜行、右后斜行：同左前斜行，給不同車輪分配轉(zhuǎn)向即可。

當(dāng)然，不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向來(lái)使車體前后左右斜向移動(dòng)，還可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速（即力的大?。?shí)現(xiàn)車體各個(gè)方向的移動(dòng)。所以麥克納姆輪型車體的移動(dòng)方式，可以通過(guò)控制四個(gè)車輪的速度矢量（大小和方向）實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。

2 同步跟隨功能設(shè)計(jì)原理

同步跟隨功能是利用人體傳感器并搭配超聲波測(cè)距傳感器，將使用者的位置信息輸入單片機(jī)，根據(jù)同步移動(dòng)的算法，通過(guò)PID調(diào)節(jié)車輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速使服務(wù)架與使用者相對(duì)靜止[2]。示意如圖5所示：

圖5 同步跟隨示意圖

2.1 實(shí)現(xiàn)步驟

同步跟隨功能步驟分解（一個(gè)人體傳感器和一個(gè)超聲波測(cè)距傳感器為一組傳感器）：

（1）傳感器組轉(zhuǎn)動(dòng)位置，使中心傳感器指向跟隨目標(biāo)；

（2）人體移動(dòng)，相鄰傳感器采集到目標(biāo)人體的信息；

（3）傳感器組轉(zhuǎn)動(dòng)，使中間傳感器重新采集到人體信息；

（4）根據(jù)傳感器組的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（即電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖信號(hào)）和兩次中心傳感器采集到的距離之差，計(jì)算車體移動(dòng)的x軸距離和y軸距離數(shù)據(jù)；

（5）單片機(jī)輸出信號(hào)控制車體移動(dòng)相應(yīng)距離；

（6）單片機(jī)的運(yùn)算速度非常快，可以設(shè)定每幾毫秒進(jìn)一次中斷進(jìn)行該算法循環(huán)一次，再加上車體移動(dòng)PID調(diào)節(jié)，使車體與人的移動(dòng)處于靜態(tài)平衡從而達(dá)到相對(duì)靜止。

3 路線循跡功能設(shè)計(jì)原理

考慮到實(shí)際情況，采用探測(cè)墻面的循跡方法，使服務(wù)架貼近墻面行駛，由于墻面互相垂直，適合麥克納姆輪的前后及橫向左右運(yùn)動(dòng)。

每邊僅用三個(gè)檢測(cè)距離的光電式紅外傳感器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)一面墻的檢測(cè)，車體邊側(cè)前部、中部和后部各配置一個(gè)指向同一個(gè)墻面的光電式紅外傳感器，前部和后部的傳感器設(shè)定最遠(yuǎn)檢測(cè)距離[3]。其安放位置如圖6所示：

圖6 傳感器安放位置

3.1 實(shí)現(xiàn)步驟

（1）當(dāng)兩個(gè)傳感器都檢測(cè)不到墻面即遠(yuǎn)離墻面的時(shí)候，車體向墻面移動(dòng)；

（2）當(dāng)只有一個(gè)檢測(cè)到墻面另一個(gè)檢測(cè)不到的時(shí)候，表明車體相對(duì)墻體有一定的偏差，需要轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)至與墻面平行；

（3）而當(dāng)中部的傳感器檢測(cè)到墻面時(shí)，表明車體距離墻面過(guò)近，有相撞的危險(xiǎn)，需要向遠(yuǎn)離墻面的方向行駛，若是在行駛過(guò)程中部傳感器檢測(cè)到墻面，則車體的行駛方向與墻面不平行，需要微調(diào)轉(zhuǎn)向；

（4）當(dāng)沒有碰到這些情況且與人體保持在設(shè)定范圍之內(nèi)，車體向前移動(dòng)。

如此一來(lái)，車體便能與墻面保持一定的距離下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，一直保持這個(gè)安全的距離。

當(dāng)然，循跡功能的前提是跟隨功能的實(shí)現(xiàn)，只有在與使用者保持一定的距離時(shí)采取循跡功能，當(dāng)與使用者的距離大于設(shè)定值時(shí)，則取消循跡功能，只有滿足與使用者的距離和與墻面的距離這兩個(gè)條件時(shí)，才自動(dòng)切換到循跡模式。而這樣的條件，又滿足了服務(wù)架會(huì)跟隨使用者行駛，而不會(huì)遇到轉(zhuǎn)彎車體自己轉(zhuǎn)向的情況。

4 智能避障功能設(shè)計(jì)原理

移動(dòng)時(shí)，不可避免地會(huì)遇到各種障礙物，所以要有智能避障這個(gè)功能。當(dāng)然，智能避障功能是在同步跟隨和路線行駛的模式中完成，當(dāng)車體遇到障礙物時(shí)，車體首先觸發(fā)斷續(xù)的蜂鳴器警報(bào)，警示使用者車體遇到障礙，會(huì)作出路線上的調(diào)整。智能避障的實(shí)驗(yàn)方式也較為簡(jiǎn)單，只需通過(guò)檢測(cè)障礙物的光電式紅外傳感器對(duì)周圍障礙的檢測(cè)，通過(guò)中斷之前的移動(dòng)算法，切換到避障算法，使車向沒有障礙物的方向并與障礙物保持一定距離繞過(guò)障礙物重新回到正常行駛的路線上，便可完成智能避障功能[4]。避障路線如圖7所示：

圖7 避障路線圖

5 服務(wù)功能

設(shè)置掛鉤，掛輸液瓶；設(shè)置托盤，為患者放置藥品、飲水、輸液瓶的物品；設(shè)有底座，盛放電源等其他電子醫(yī)療器械，設(shè)有報(bào)警器，在病人突發(fā)癥狀的時(shí)候發(fā)出警報(bào)，便于及時(shí)救治。

6 結(jié)論與展望

自由同步移動(dòng)式醫(yī)護(hù)設(shè)備為處在艱難困苦中的人們提供更全面的照顧，使在疾病中的人們也能體味到科技創(chuàng)新帶來(lái)的幸福，使創(chuàng)新真正地去幫助需要幫助的人。希望真正可以為我國(guó)的醫(yī)療事業(yè)提供便利，為智能服務(wù)型機(jī)器人開拓更寬的前景。