基于STM32的輸液廳智能輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

徐賢煒，吳大地，余子逸，趙興旺，王昱凱

（上海理工大學(xué)，上海楊浦，200093）

0 引言

近些年來全國各地的醫(yī)院經(jīng)常會(huì)有許多因拿錯(cuò)藥品，輸錯(cuò)藥品等小失誤所導(dǎo)致嚴(yán)重醫(yī)療事故的發(fā)生，很多這類事件都造成了嚴(yán)重的后果。使用輸液廳智能輔助機(jī)器人來代替醫(yī)務(wù)人員的部分工作，可以杜絕這些嚴(yán)重后果。合理地使用人工智能可以緩解醫(yī)院就診高峰期人手緊張的情況，提高了醫(yī)院的工作效率。機(jī)器人增加的語音交流功能可以和病人進(jìn)行交流，在一定程度上也會(huì)讓病人得到放松。在指定地點(diǎn)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(xiàng)目在醫(yī)院、診所這樣的場合可以廣泛地投入使用，有一定的市場價(jià)值。

1 機(jī)器人的系統(tǒng)功能框架

車身部分使用光電管輔助超聲波實(shí)現(xiàn)循跡與定位。本項(xiàng)目可以達(dá)到厘米級(jí)的測量精度。車身后方的支架配有藥品儲(chǔ)存裝置，識(shí)別藥品信息并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能取藥功能，避免藥物被拿錯(cuò)；小車可以將藥品送至病人輸液處，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，分擔(dān)部分高峰期醫(yī)務(wù)人員的工作；支架上設(shè)有防盜反鎖裝置，需要醫(yī)護(hù)人員刷卡方能取走支架上的藥品，避免出現(xiàn)小車在行進(jìn)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(shè)置的方槽為垃圾存儲(chǔ)區(qū)，讓不便走動(dòng)的病人和換藥的醫(yī)務(wù)人員可以隨時(shí)投放垃圾。小車可以及時(shí)清空垃圾，減少醫(yī)療垃圾對(duì)環(huán)境的污染。通過控制按鍵，小車判斷是否傾倒垃圾；垃圾存儲(chǔ)區(qū)用電磁鐵控制，當(dāng)小車抵達(dá)垃圾傾倒區(qū)時(shí)，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓電磁鐵給方槽活動(dòng)板一個(gè)斥力，推出垃圾，斥力消失之后，活動(dòng)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(shí)間；車載語音系統(tǒng)提示行人避讓，防止在行進(jìn)過程中撞到行人，語音系統(tǒng)還有提示患者藥品信息和醫(yī)囑的功能。

圖1 系統(tǒng)功能框架

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用麥克納姆輪，小車可以實(shí)現(xiàn)前后左右無轉(zhuǎn)矩變化方向；采用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)循跡功能，小車可以準(zhǔn)確地行至目的地，提高了小車的工作效率；在機(jī)器人沒有接受到指令時(shí)，會(huì)去到充電處進(jìn)行無線充電，既保證了機(jī)器人工作的效率，不會(huì)因?yàn)殡娏繀T乏而停止工作。當(dāng)機(jī)器人身上裝有醫(yī)療垃圾時(shí)，機(jī)器人會(huì)優(yōu)先移動(dòng)到垃圾處，自主丟棄醫(yī)療垃圾。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

本系統(tǒng)的主要有三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，分別是麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)、紅外對(duì)管的自動(dòng)循跡、無線充電技術(shù)。

■3.1 麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)

在運(yùn)動(dòng)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(tǒng)中機(jī)有相對(duì)機(jī)體中心的位置，也有姿態(tài)角度。

將輪轂中心速度轉(zhuǎn)換到XOY坐標(biāo)系中，有：

因機(jī)器人做平面運(yùn)動(dòng)，有：

由(2)(3)得機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

因： det(Ri1)≠ 0,det(Ri2)≠0,

有第i輪的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

輪轉(zhuǎn)速到中心的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解為：

系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的雅可比矩陣為：

其中式子中的α是驅(qū)動(dòng)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(gè)圓心與運(yùn)動(dòng)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(duì)本設(shè)計(jì)使用的四輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)雅可比矩陣列不滿秩時(shí)，系統(tǒng)中存在奇異位形，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)自由度減少，不具有實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的能力；當(dāng)雅可比矩陣滿秩的時(shí)候，系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的能力。其實(shí)系統(tǒng)僅滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)還不夠，系統(tǒng)還必須具有很好的驅(qū)動(dòng)性能和控制性。

■3.2 紅外對(duì)管的自動(dòng)循跡

紅外對(duì)管在機(jī)器人循跡行走的過程中，能精確測定黑線位置并確定機(jī)器人行走的方向，它需要同時(shí)在底盤安裝4個(gè)紅外探測頭，進(jìn)行兩級(jí)方向的糾正控制，提高了循跡的可靠性。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持在兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小機(jī)器人偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器見車到黑線，把檢測的信號(hào)送給小機(jī)器人的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)機(jī)器人軌跡予以糾正。若小機(jī)器人回到軌跡上，則小車會(huì)繼續(xù)行進(jìn)，若小機(jī)器人由于慣性力過大偏離軌跡，越出第一級(jí)兩個(gè)探測器的探測范圍，這時(shí)第二級(jí)探測器動(dòng)作，再次對(duì)小機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)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(shù)

無線充電技術(shù)對(duì)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(shù)分為發(fā)射模塊和接收模塊。無線充電技術(shù)的發(fā)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(jīng)過二階低通濾波器除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，經(jīng)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(lián)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(jīng)過線圈接收后，高頻交流電壓經(jīng)過整流管進(jìn)行半波整流，電容濾波，再用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，輸出直流電為電池提供較穩(wěn)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(shí)驗(yàn)

使用白色布匹模擬醫(yī)院地面，貼上黑色膠帶模擬機(jī)器人要行進(jìn)的路線，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)循跡，如圖4所示。

圖4 模擬場景

設(shè)定取藥，倒垃圾，病房，輸液廳的地點(diǎn)，讓機(jī)器人按照設(shè)定的程序行進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的循跡方法，可以較好實(shí)現(xiàn)循跡，及地點(diǎn)的判定。機(jī)器人在遇到障礙的時(shí)候，語音功能會(huì)發(fā)揮作用，避免與行人相撞，碰倒攜帶的藥品。實(shí)驗(yàn)證明，本文的設(shè)計(jì)在一定程度上能夠避免藥品的傾倒。在自動(dòng)傾倒垃圾這一部分，利用電磁鐵使裝垃圾的箱子轉(zhuǎn)軸處往下滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)傾倒。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目中的機(jī)器人，通過驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪，實(shí)現(xiàn)前后左右無轉(zhuǎn)矩變化方向，在相對(duì)狹小的施展空間也能靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，降低對(duì)空間大小的需求。四輪均配有精密編碼器，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)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(shí)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，自動(dòng)行進(jìn)至充電區(qū)域進(jìn)行充電，并且提前通知醫(yī)務(wù)人員來處理機(jī)器人正在進(jìn)行的工作。當(dāng)配以更高的優(yōu)先級(jí)時(shí)，小車將完全獨(dú)立，還能走出輸液廳在其他場所發(fā)揮作用。