醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人設(shè)計

倪秉軒 袁鵬凱 張慶旭 陳學琪

摘要：為了盡可能多的減少人員的密集接觸，使醫(yī)護人員將精力投入到治療患者中去，提升醫(yī)護人員的工作效率，設(shè)計醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人。機器人以STM32為控制核心，結(jié)合機械臂、視覺識別技術(shù)等實現(xiàn)醫(yī)藥品的自動分揀與發(fā)放，可以通過數(shù)據(jù)庫連接到公眾號及小程序?qū)崟r監(jiān)控其狀態(tài)，同時患者可預約掃碼排隊。能夠提升醫(yī)護人員的工作效率，節(jié)約分揀及發(fā)放醫(yī)藥品的時間，節(jié)約用戶等候取藥的時間。

關(guān)鍵詞：STM32;視覺識別;機器人

1 引言

如今，各級醫(yī)院均不同程度上存在人流量大，設(shè)備、用品及藥品品種多，需求分散，次序雜亂，效率不高的問題。為了規(guī)范醫(yī)療用品及藥品的分揀和發(fā)放，提高就醫(yī)效率，盡可能減少人員的密集接觸，減少醫(yī)護人員準備手術(shù)等工作所需要的時間，設(shè)計醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人。該機器人的使用能大大提升醫(yī)護人員的工作效率，節(jié)約分揀及發(fā)放藥物藥品的時間，節(jié)約就醫(yī)人員等候取藥的時間，提升就醫(yī)體驗。同時也適用于小型快遞網(wǎng)點、倉庫。本設(shè)計適應(yīng)科技的發(fā)展，適應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，能夠協(xié)助克服生活中的難題，為生活帶來便利。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)市場有關(guān)自動分揀與發(fā)放機器人的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外的機器人雖然有速度快、自動作業(yè)、降低人工成本的優(yōu)點，但由于多數(shù)用于大型的倉庫、工廠，造成其體積龐大，又因為體積龐大，要保證機器人的質(zhì)量，便造成機器人成本高、投入高的問題;多數(shù)大型設(shè)備需要專業(yè)人員操控，對于普通人來說，操作機器人也是一大難題;真正投入到生活中還會存在實用性差等問題。所以市面上用于醫(yī)院藥物藥品及醫(yī)療設(shè)備的分揀機器人功能不完善，并不能滿足醫(yī)院對于藥物藥品及醫(yī)療工具分揀與發(fā)放的需求。醫(yī)院的藥房，人工操作需要醫(yī)護人員大量的時間及精力用于對患者的藥物藥品的分揀與發(fā)放，提升醫(yī)護人員工作效率、減少醫(yī)患間密切接觸，是目前醫(yī)療行業(yè)急需解決的一個問題。現(xiàn)代科技高速發(fā)展，研究具有自動分揀與發(fā)放藥物藥品及醫(yī)療工具的醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人非常有必要。設(shè)計完成的這款機器人，從市面上造價高、體積大、操作困難、適用性差等幾個方面進行改進、優(yōu)化、提升，設(shè)計，極具智能化，使管理員和用戶可以更為方便的操作和使用。

系統(tǒng)的主要功能為：

1）運用視覺識別技術(shù)識別各種已有藥物藥品，根據(jù)指令通過機器人進行自動分析及分類，藥物藥品可以根據(jù)種類存放在相應(yīng)的存儲空間或根據(jù)處方將藥物藥品發(fā)放到患者手中。

2）運用STM32控制，通過機械臂來實現(xiàn)各類藥品的自動分揀與發(fā)放。STM32是機器人的控制核心，將進行指令和信號之間的相互轉(zhuǎn)化，控制機械臂運動;機械臂是機器人的執(zhí)行部分，通過機械臂的運動達到自動分揀與發(fā)放的效果。

運用STM32控制，還可以通過機械臂來實現(xiàn)所需要的醫(yī)療用品的分揀與發(fā)放。當STM32發(fā)出分揀或發(fā)放醫(yī)療用品的指令后，機械臂會拾取醫(yī)療用品，如手術(shù)刀、紗布、剪子等。將其發(fā)放到指定位置，以方便醫(yī)護人員的管理與使用

3）系統(tǒng)還可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，使機器人具有不同中樞控制，用來適應(yīng)不同的工作場合。

3 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1視覺識別模塊

機器人視覺對于智能機器人就相當于眼睛和人的關(guān)系一樣，為了使機器人實現(xiàn)智能化分揀發(fā)放的功能，則必須讓機器人具有感知功能，使機器人能夠“看到”周圍世界。視覺識別模塊采用Maix Bit開發(fā)板，使用了雙核 64bit RISC-V / 400MHz （雙精度FPU集成）CPU、內(nèi)存為8MiB 64bit 片上 SRAM、儲存：16MiB Flash，支持 micro SDXC 拓展存儲 （最大128GB）、屏幕：2.4 寸 TFT，屏幕分辨率：320*240、攝像頭：200W 像素，0V2640 型號 M12 攝像頭、TF卡槽支持多媒體資源擴展，大容量儲存。視覺攝像頭拍攝到藥盒，通過識別分辨藥盒的顏色、形狀、字符和條形碼等來識別出藥品的種類。STM32與機械臂通信給機械臂下達指令讓其發(fā)放到指定的藥品倉庫這就實現(xiàn)了存放功能。當患者需要某種藥品時，只需手動選取或遠程手機軟件下單相應(yīng)藥品，機械手會從相應(yīng)倉庫中取出讓攝像頭再次識別以確保藥品正確。攝像頭識別出藥品時，屏幕上會有綠框顯示。自動化藥品分揀機器人完成的每一道程序，都帶來人力成本的下降和醫(yī)護人員工作效率的提高，減少醫(yī)患間密切接觸。通過視覺掃描技術(shù)，按照藥品的品種、藥效、重量以及發(fā)往的地點進行快速的分類，然后將貨物送到指定的貨架上或出貨站臺處。與此同時，機器人也可以在最短時間內(nèi)將貨架上的藥品配送到不同的站臺向外運輸。這樣便可以極大縮短發(fā)貨時間，提高服務(wù)水平。自動分揀機器人還不止僅限于此，現(xiàn)今電商外賣平臺的發(fā)展，分揀機器人通過與手機軟件關(guān)聯(lián)，顧客遠程在家選購下單，分揀機器人接收到訂單信息去相應(yīng)的倉庫里取藥品。在醫(yī)院這種小范圍建筑甚至可以做到真正無人作業(yè)，送藥到病床等工作。極大的減少了醫(yī)護人員的工作，節(jié)省了大量人力精力。擁有了視覺識別技術(shù)的機器人就能在各個行業(yè)“大展拳腳”為人們的生活帶來便利。

3.2核心控制模塊

選擇STM32的F103系列芯片，其內(nèi)核使用的是ARM32位ortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。存儲器使用的是片上集成32-512KB的Flash存儲器，6-64KB的SRAM存儲器。還擁有三種低功耗模式，休眠，停止，待機模式。STM32可以給舵機輸入不同的信號，來控制其旋轉(zhuǎn)到不同的角度。舵機接收的是PWM信號，當信號進入內(nèi)部電路產(chǎn)生一個偏置電壓，觸發(fā)電機通過減速齒輪帶動電位器移動，使電壓差為零時，電機停轉(zhuǎn)，從而達到伺服的效果。舵機上有三根線，分別是GND、VCC和SIG，也就是地線、電源線和信號線，其中的PWM波就是從信號線輸入給舵機的。一般來說，舵機接收的PWM信號頻率為50HZ，即周期為20ms。當高電平的脈寬在0.5ms-2.5ms之間時舵機就可以對應(yīng)旋轉(zhuǎn)到不同的角度。想要輸出PWM信號就得用上TIM定時器，而基本定時器沒有PWM信號的輸出功能，所以只能選用通用定時器和高級定時器。

3.3 機械臂模塊

采用舵機動作帶動機械臂運動。舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器。向伺服器發(fā)送一個控制信號時，輸出軸就可以轉(zhuǎn)到特定的位置。只要控制信號持續(xù)不變，伺服機構(gòu)就會保持軸的角度位置不改變。如果控制信號發(fā)生變化，輸出軸的位置也會相應(yīng)發(fā)生變化。控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。使用STM32控制舵機，需要設(shè)置20ms左右的時基脈沖，脈沖的高電平部分一般使用0.5ms-2.5ms的范圍內(nèi)的角度，來控制脈沖部分，總間隔為2ms。舵機轉(zhuǎn)動0°代表它的占空比是2.5%，轉(zhuǎn)動180°代表它的占空比是12.5%。設(shè)arr（自動重裝載值）為x時轉(zhuǎn)動角度所對應(yīng)的值=（x+1）*（1-占空比）;將pwm極性設(shè)置為TIM_OCPolarity_High時轉(zhuǎn)動角度所對應(yīng)的值=（x+1）*占空比。

機械臂采用六軸分體式設(shè)計，機械臂的抓頭部分，就是機械臂的第五軸和第六軸，采用防燒舵機和MG996舵機作為動力，整體框架由3mm的機械爪和U型鋁合金支架組成，U型鋁合金支架通過M3的螺絲固定在一起。5軸舵機直接固定在支撐板，機械抓采用舵機扣加螺絲的形式連接在五軸舵機上，而六軸舵機固定在機械爪上。在機械臂的肘部，包括第四軸，使用MG996舵機，肘部框架采用和五軸舵機同樣的U型鋁合金支架，將四軸舵機安裝在U型鋁合金支架上，來控制機械臂的肘部運動。腰部包括機械臂的第二軸和第三軸，第二軸的力臂直接和舵機相連，第三軸通過一個兩個U型鋁合金支架連接控制上方小臂的方向。底部為機械臂的一軸，采用TBSN-2701數(shù)字舵機作為動力，舵機和最后一塊底板連接在一起，上邊由兩U型鋁合金支架支撐。機械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 結(jié)論

醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人融合了視覺識別、人機交互、運算控制等模塊，可以做到對信息準確的處理，基本實現(xiàn)預想的功能。可以節(jié)省醫(yī)護人員的精力和減少資源上的浪費。下一步將融合更多模塊，使其可實現(xiàn)更多的功能。

參考文獻

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基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人”（項目號：202110066024）

作者簡介：倪秉軒（2001-），男，本科生，自動化（電氣技術(shù)教育方向）專業(yè)。