基于STM32的輸液廳智能輔助機器人的設計與研究

徐賢煒，吳大地，余子逸，趙興旺，王昱凱

（上海理工大學，上海楊浦，200093）

0 引言

近些年來全國各地的醫院經常會有許多因拿錯藥品，輸錯藥品等小失誤所導致嚴重醫療事故的發生，很多這類事件都造成了嚴重的后果。使用輸液廳智能輔助機器人來代替醫務人員的部分工作，可以杜絕這些嚴重后果。合理地使用人工智能可以緩解醫院就診高峰期人手緊張的情況，提高了醫院的工作效率。機器人增加的語音交流功能可以和病人進行交流，在一定程度上也會讓病人得到放松。在指定地點倒掉藥品垃圾殘留物的功能也能在一定程度上減少人為的觸碰污染。因此該項目在醫院、診所這樣的場合可以廣泛地投入使用，有一定的市場價值。

1 機器人的系統功能框架

車身部分使用光電管輔助超聲波實現循跡與定位。本項目可以達到厘米級的測量精度。車身后方的支架配有藥品儲存裝置，識別藥品信息并存儲數據，實現智能取藥功能，避免藥物被拿錯；小車可以將藥品送至病人輸液處，實現自動化，分擔部分高峰期醫務人員的工作；支架上設有防盜反鎖裝置，需要醫護人員刷卡方能取走支架上的藥品，避免出現小車在行進過程中藥物被行人碰掉以及藥物被誤換的情況。車身前部設置的方槽為垃圾存儲區，讓不便走動的病人和換藥的醫務人員可以隨時投放垃圾。小車可以及時清空垃圾，減少醫療垃圾對環境的污染。通過控制按鍵，小車判斷是否傾倒垃圾；垃圾存儲區用電磁鐵控制，當小車抵達垃圾傾倒區時，單片機控制驅動電磁鐵，讓電磁鐵給方槽活動板一個斥力，推出垃圾，斥力消失之后，活動板返回原位，完成垃圾清空工作。車載LCD顯示藥品信息、電量、時間；車載語音系統提示行人避讓，防止在行進過程中撞到行人，語音系統還有提示患者藥品信息和醫囑的功能。

圖1 系統功能框架

2 系統總體結構

本系統采用麥克納姆輪，小車可以實現前后左右無轉矩變化方向；采用紅外對管實現小車自動循跡功能，小車可以準確地行至目的地，提高了小車的工作效率；在機器人沒有接受到指令時，會去到充電處進行無線充電，既保證了機器人工作的效率，不會因為電量匱乏而停止工作。當機器人身上裝有醫療垃圾時，機器人會優先移動到垃圾處，自主丟棄醫療垃圾。系統流程圖如圖2所示。

圖2 系統流程圖

3 系統技術難點

本系統的主要有三個技術難點，分別是麥克納姆輪的驅動、紅外對管的自動循跡、無線充電技術。

■3.1 麥克納姆輪的驅動

在運動過程中，麥克納姆四輪的布局形式是隨意排列的，每輪在系統中機有相對機體中心的位置，也有姿態角度。

將輪轂中心速度轉換到XOY坐標系中，有：

因機器人做平面運動，有：

由(2)(3)得機器人逆運動學方程為：

因： det(Ri1)≠ 0,det(Ri2)≠0,

有第i輪的逆運動學方程為：

輪轉速到中心的逆運動學解為：

系統逆運動學方程的雅可比矩陣為：

其中式子中的α是驅動輪的偏置角，r是輪子作用的半徑，l與θ都是輪子的位置與姿勢描述的變量，β是兩個圓心與運動方向的夾角，r是輪子作用的半徑，v是工作棍子的中心速度矢量。

針對本設計使用的四輪運動系統，當系統逆運動學雅可比矩陣列不滿秩時，系統中存在奇異位形，使系統的運動自由度減少，不具有實現全方位運動的能力；當雅可比矩陣滿秩的時候，系統具有實現全方位運動的能力。其實系統僅滿足運動學還不夠，系統還必須具有很好的驅動性能和控制性。

■3.2 紅外對管的自動循跡

紅外對管在機器人循跡行走的過程中，能精確測定黑線位置并確定機器人行走的方向，它需要同時在底盤安裝4個紅外探測頭，進行兩級方向的糾正控制，提高了循跡的可靠性。小車前進時，始終保持在兩個第一級傳感器之間，當小機器人偏離黑線時，第一級傳感器見車到黑線，把檢測的信號送給小機器人的處理、控制系統，控制系統發出信號對機器人軌跡予以糾正。若小機器人回到軌跡上，則小車會繼續行進，若小機器人由于慣性力過大偏離軌跡，越出第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級探測器動作，再次對小機器人的運行進行糾正，使之回到正確軌道上。代碼如下所示。

■3.3 無線充電技術

無線充電技術對人體安全無害處，無線充電使用的共振原理是磁場共振，只在以同一頻率共振的線圈之間傳輸，而其他裝置無法接受波段。

無線充電技術分為發射模塊和接收模塊。無線充電技術的發射模塊是主振電路采用2MHz有源晶振作為振蕩器。有源晶振輸出的方波，經過二階低通濾波器除高次諧波，得到穩定的正弦波輸出，經三極管及其外圍電路組成的丙類放大電路后輸出至線圈與電容組成的并聯諧振回路輻射出去，為接收部分提供能量。接收模塊的工作原理：電能經過線圈接收后，高頻交流電壓經過整流管進行半波整流，電容濾波，再用穩壓二極管穩壓，輸出直流電為電池提供較穩定的工作電壓，為電池充電。無線充電接收部分電路圖如圖3所示。

圖3 無線充電接收部分電路

4 實驗

使用白色布匹模擬醫院地面，貼上黑色膠帶模擬機器人要行進的路線，以實現機器人的自動循跡，如圖4所示。

圖4 模擬場景

設定取藥，倒垃圾，病房，輸液廳的地點，讓機器人按照設定的程序行進。實驗證明，本文設計的循跡方法，可以較好實現循跡，及地點的判定。機器人在遇到障礙的時候，語音功能會發揮作用，避免與行人相撞，碰倒攜帶的藥品。實驗證明，本文的設計在一定程度上能夠避免藥品的傾倒。在自動傾倒垃圾這一部分，利用電磁鐵使裝垃圾的箱子轉軸處往下滑動實現傾倒。

5 結語

本項目中的機器人，通過驅動麥克納姆輪，實現前后左右無轉矩變化方向，在相對狹小的施展空間也能靈活運轉，降低對空間大小的需求。四輪均配有精密編碼器，實現速度閉環控制，提高了精度與安全性。另外，小車能夠自主充電，電量不足時轉為待機狀態，自動行進至充電區域進行充電，并且提前通知醫務人員來處理機器人正在進行的工作。當配以更高的優先級時，小車將完全獨立，還能走出輸液廳在其他場所發揮作用。