基于物聯網技術的分體式多功能醫用機器人的設計

王肖文，唐健豪，陳旭創

佛山市第一人民醫院設備科 （廣東佛山 528000）

近年來，2019新型冠狀病毒、埃博拉病毒及各類流感病毒等在世界范圍內持續多點暴發，對全世界人民的生命健康、經濟發展及社會穩定均造成了巨大的威脅。以往為預防院內感染，各級醫院通常采用人工作業的方式開展消毒工作，但該方式具有耗費人力、無法徹底阻斷病毒傳播等缺點。因此，各種醫用機器人應運而生，并被廣泛應用于藥物配送、護理、消毒等臨床工作中[1-2]。機器人具有實用性、多樣性和高效性等優點，將其應用于醫院中可滿足降低職業暴露風險、避免感染傳播的迫切需求。但現有醫用機器人的種類繁多，且大多采取的是一體式設計，如醫用消毒機器人[3]、藥物配送機器人、護理機器人等，具有體積龐大、功能單一、應用場景固定等缺點。此外，對于工作時間分散的多臺機器人，每臺機器人均需配備單獨的導航盒和主控底盤，增加了使用成本，無法很好地滿足醫院臨床工作的需求。因此，實現醫用機器人的分體式和多功能十分必要。

物聯網藍牙信號到達角度（angle of arrival，AOA）定位技術是一種新型的室內導航技術，可實現分體式多功能醫用機器人在室內行駛時的精確定位。STM32機器人主控底盤是分體式多功能醫用機器人行駛的主要驅動部件，可實現分體式多功能醫用機器人的行駛和避障功能。計劃式導航盒是分體式多功能醫用機器人的任務中心，使用者可通過其向分體式多功能醫用機器人下達各種任務指令[4-5]。基于此，本研究基于物聯網藍牙AOA 技術、STM32機器人主控底盤及計劃式導航盒[6-7]設計了一種新型的分體式多功能醫用機器人，該機器人可自由裝配消毒、運送、場景隔離等擴展模塊，滿足多場景應用的需求，具有功能多樣、使用成本較低等優點。

1 設計思路

分體式多功能醫用機器人的設計思路見圖1。首先，計劃式導航盒與藍牙AOA 基站進行通信，隨后，服務器通過藍牙AOA 基站提供的信息計算得到機器人的位置信息，并將位置信息反饋至計劃式導航盒，計劃式導航盒再通過通信藍牙向STM32機器人底盤發送任務，從而使機器人按計劃完成任務[8-9]。

圖1 分體式多功能醫用機器人設計思路

2 基本構成

2.1 硬件系統

2.1.1 STM32機器人底盤主控模塊

STM32機器人底盤主控模塊由TOF 激光避障模塊、懸崖防跌模塊、多功能模塊連接槽、運動腳輪模塊、陀螺儀模塊、計劃式導航盒放置槽組成。主控底盤通過STM32芯片模塊對采集到的運行數據、定位數據、狀態參數指標進行客觀量化，與計劃式導航盒進行數據交互，實現精準導航。陀螺儀用于修正慣性軌跡，TOF 激光避障及懸崖防跌模塊用于修正行駛軌跡。建立以全自主定位導航技術[10-11]為基礎的分體式多功能醫用機器人底盤主控模塊，可以兼容不同的設備，使不同設備擁有自主行走、智能避障、定位導航控制功能。STM32機器人底盤主控模塊示意圖見圖2。

圖2 STM32機器人底盤主控模塊示意圖

2.1.2 計劃式導航盒

計劃式導航盒的核心為LINUX 內核板，還包含狀態顯示屏、藍牙模塊、電池模塊及無線充電模塊。LINUX 內核板通過藍牙模塊與任務服務器端通信獲取任務，并通過狀態顯示屏模塊顯示狀態信息。計劃式導航盒示意圖見圖3。

圖3 計劃式導航盒示意圖

2.1.3 擴展模塊

擴展模塊主要包括紫外線消毒燈、空氣消毒機、藥物運送箱、治療車、機器手臂、噴霧消毒車等，可滿足多場景應用的需求。

2.2 軟件系統

軟件系統主要包括LINUX 計劃式導航盒多任務操作系統、STM32機器人底盤實時系統。

LINUX 計劃式導航盒使用ROS 的rizv 軟件實現三維可視化，一方面可圖形化顯示外部地圖信息，另一方面可向導航盒發送控制命令，從而實現對機器人的監測與控制。STM32機器人底盤實時系統使用FreeRTOS 作為實時操作系統內核。操作系統功能包括任務管理、時間管理、消息隊列管理、內存管理、記錄功能、軟件定時器等，可協調機器人底盤系統的運動。

3 主要功能

該研究設計的分體式多功能醫用機器人，以物聯網為載體，結合了藍牙AOA 定位技術，具有分體式、多功能和精準定位導航的功能。物聯網多功能模塊包括硬件（各種藍牙部件）、硬件平臺、軟件平臺及無線傳感器網絡。硬件平臺使用LINUX-ARM 架構，軟件平臺基于LINUX，使用藍牙AOA 定位技術和藍牙通信技術，采集機器人主控底盤和計劃式導航盒在實時行駛中的行駛數據和位置信息，結合藍牙網關將位置信息回傳至導航盒，實現對多個機器人主控底盤和計劃式導航盒的信息連接和交互。

3.1 機器人主控底盤

基于STM32芯片的機器人主控底盤通過藍牙連接模塊讀取計劃式導航盒的驅動參數，如讀取陀螺儀模塊參數進行方向判斷并輸出PWM 信號至運動腳輪模塊驅動電機，控制電機進行前進、后退、左轉和右轉；運動過程中主控底盤不間斷讀取超聲防撞模塊、TOF 激光避障模塊、懸崖防跌模塊和電機驅動模塊的數據作為反饋信號。當機器人遇到障礙物時，TOF 激光避障模塊和超聲防撞模塊的反饋信號促使主控底盤通過藍牙透傳至計劃式導航盒使電機停止并調整方向。當機器人遇到落差較大的地面時，懸崖防跌模塊的反饋信號促使主控底盤通過藍牙透傳至計劃式導航盒使電機停止并調整方向。STM32機器人主控底盤模塊工作流程示意圖見圖4。

3.2 計劃式導航盒

導航盒的LINUX 主控板通過藍牙通信模塊與任務服務器端通信獲取任務，并通過狀態顯示屏顯示獲取的狀態信息。導航盒的藍牙定位模塊與藍牙基站進行通信，經過藍牙基站將導航盒的位置信號發送到任務服務器主機，經過服務器主機處理運算位置信息后，將位置信息經過藍牙基站回傳到導航盒。

圖4 STM32機器人主控底盤模塊工作流程示意圖

導航盒讀取一系列位置信息后，LINUX 主控板模塊將方向信息通過藍牙通信模塊傳送至機器人底盤，由STM32主控底盤完成導航任務。計劃式導航盒模塊示意圖見圖5。

圖5 計劃式導航盒工作流程示意圖

4 小結

本研究設計的分體式多功能醫用機器人，以物聯網為載體，結合藍牙AOA 定位技術，具有分體式、多功能和精準定位導航的功能，且造價低、容易維護[12]。系統將機器人的各部分功能模塊化，實現多功能擴展模塊的自由裝配，如紫外線消毒燈、空氣消毒機、藥物運送箱、治療車、機器手臂、噴霧消毒等。這種按需自由裝配為不同用戶提供個性化定制，可滿足多場景應用的需求，節約了成本、機器人的存儲空間，并提高了機器人的使用率。

在人工智能、物聯網技術、5G 網絡技術飛速發展的背景下，機器人技術的研究和應用從傳統的工業領域快速擴展到醫療領域，應用的專業化、多樣化使醫用機器人勢必成為醫療衛生事業發展的大趨勢，無論在重大公共衛生事件還是在應急救援等處理過程中都離不開醫用機器人。本研究設計的新一代分布式多功能醫用機器人必將造福人類，為人類健康事業貢獻更多力量。