基于知識圖譜的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐成現(xiàn)，蒲昊苒，何德帥

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

眾所周知，控制傳染源、切斷傳播途徑、保護(hù)易感人群是阻斷病毒傳播的三個措施，當(dāng)傳染病爆發(fā)時，在醫(yī)院隔離病房，醫(yī)護(hù)人員被感染的風(fēng)險(xiǎn)極高。可使用一種機(jī)器人代替人工送藥，從而降低醫(yī)護(hù)人員被感染的風(fēng)險(xiǎn)、減輕工作壓力，一定程度上節(jié)省防護(hù)用品。

搬運(yùn)機(jī)器人的涵蓋范圍廣泛，包括固定在某個地方的機(jī)械臂、機(jī)械手，順著軌道移動的搬運(yùn)車、機(jī)器人等軌道移動機(jī)器人，也包括無人搬運(yùn)車、AGV 等自主移動機(jī)器人。全方位移動 AGV 最早衍生于主動前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，即利用主動前輪的左右旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車體的直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[1]。文獻(xiàn)[2]針對煤礦搬運(yùn)工況條件嚴(yán)苛、勞動強(qiáng)度大等問題，對搬運(yùn)機(jī)器人主要組成進(jìn)行分析，對搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3-6]在增加作業(yè)人員數(shù)目的同時,把物流運(yùn)輸、分揀由機(jī)器代替人工，設(shè)計(jì)了一款簡潔方便、安全性高、控制容易的倉儲物流搬運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人可自主對倉庫里的物流件進(jìn)行分揀、搬運(yùn)；文獻(xiàn)[7-8]通過對超市搬運(yùn)機(jī)器人的背景分析、構(gòu)件組成、構(gòu)件連接方式以及工作原理的分析,得出現(xiàn)階段超市搬運(yùn)機(jī)器人的優(yōu)勢必將取代傳統(tǒng)物流搬運(yùn)作業(yè)；文獻(xiàn)[9-11]對醫(yī)用機(jī)器人的現(xiàn)狀、質(zhì)量、安全問題與可用性等進(jìn)行了探討，然而在藥物轉(zhuǎn)運(yùn)方面，機(jī)器人的發(fā)展并不理想。以上研究為藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了思路。

搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用前景很廣闊，在替代重復(fù)勞動、降低勞動強(qiáng)度方面，有著毋庸置疑的優(yōu)勢[12]，而仿生機(jī)器人比傳統(tǒng)的機(jī)器人具備了更多特征，這類機(jī)器人具備自我感知和控制的性能特性，使機(jī)器人具有更合理、更具優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)[13]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)平臺越來越發(fā)達(dá)，機(jī)器人的智能化程度也越來越高，機(jī)器人的研究也一直是近些年的熱點(diǎn)。

多源異構(gòu)的機(jī)器人設(shè)計(jì)中記錄語料往往得不到充分利用，機(jī)器人機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性給轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)造成了很大困難；如果利用知識圖譜技術(shù)將非結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)記錄信息凝練為可表示、可推理、可操作的結(jié)構(gòu)化知識網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的檢索分析，借助前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，能夠快速確定機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對于知識和經(jīng)驗(yàn)相對不足的設(shè)計(jì)人員大有助益，并且對保障設(shè)計(jì)的合理性有十分重要的意義。

1 基于知識圖譜的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

1.1 知識圖譜技術(shù)

知識圖譜是Google 用于增強(qiáng)其搜索引擎功能的知識庫[14]。本質(zhì)上，知識圖譜是一種揭示實(shí)體之間關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)，可以對世間萬物之間的關(guān)系進(jìn)行一種形式化描述，其本質(zhì)上是一個知識庫。知識圖譜的一個通用表示是三元組：（實(shí)體-關(guān)系-屬性）或（實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體），如（機(jī)器人-包含-機(jī)械臂），（機(jī)械臂-組成部分-支撐板）等；三元組是知識圖譜中最基本的單元，實(shí)體和屬性在知識圖譜中以節(jié)點(diǎn)的形式存在，而它們之間的關(guān)系則以節(jié)點(diǎn)之間的連線存在。不同的實(shí)體或?qū)傩灾g存在不同的關(guān)系，通過它們的結(jié)合可形成網(wǎng)狀的知識圖譜。

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人知識圖譜的構(gòu)建流程如圖1 所示，通過知識抽取，從不同結(jié)構(gòu)和來源的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中抽取出實(shí)體、關(guān)系和屬性，為知識圖譜構(gòu)建提供基礎(chǔ)支撐。

圖1 發(fā)動機(jī)故障維修知識圖譜構(gòu)建流程Fig.1 Construction process of engine fault maintenance knowledge graph

知識融合對抽取的知識進(jìn)行共指消解和實(shí)體消歧，解決知識重復(fù)、關(guān)聯(lián)關(guān)系不清楚的問題。知識加工在知識融合的基礎(chǔ)上，對形成的一系列基本事實(shí)進(jìn)行加工，確保知識質(zhì)量且對其進(jìn)行統(tǒng)一管理，并實(shí)時更新和完善知識圖譜。知識圖譜構(gòu)建完成后可實(shí)現(xiàn)其在相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，如利用構(gòu)建的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識圖譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢索。

通過以上構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建出的機(jī)器人知識圖譜如圖2 所示。該圖譜包含藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的組成，組成機(jī)器人的各個零件作為圖譜的節(jié)點(diǎn)，零件之間的關(guān)系或子類關(guān)系作為圖譜的邊。通過裝備圖譜可以清晰地看出各個零件和機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系，可以根據(jù)機(jī)器人知識圖譜指導(dǎo)人員裝配和設(shè)計(jì)機(jī)器人，提高機(jī)器人的裝配和設(shè)計(jì)效率。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人知識圖譜展示Fig.2 Knowledge map display of transfer robot

1.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述構(gòu)建出的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人知識圖譜，藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人的建模過程分為4 個部分：機(jī)械臂系統(tǒng)零件的設(shè)計(jì)建模與裝配、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)建模與裝配、移動平臺的零件設(shè)計(jì)建模與裝配、整體裝配。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)先考慮結(jié)構(gòu)尺寸，合理設(shè)計(jì)零件的尺寸。

機(jī)械臂部分主要由底部旋轉(zhuǎn)盤、鉸鏈、豎梁、支撐板、氣缸、導(dǎo)桿等部分組成，每個構(gòu)件在整個部分都有其巨大的作用，通過合理的設(shè)計(jì)、尺寸的大小把握，明確每個零件的作用。整體進(jìn)行合理化裝配，最終能按預(yù)想實(shí)現(xiàn)我們需要達(dá)到的功能。

如圖3 所示為整個機(jī)械臂的模型圖。其底部可旋轉(zhuǎn)，從而帶動整個機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)。汽缸體內(nèi)有活塞桿，伴隨氣壓的改變，活塞桿便實(shí)現(xiàn)了伸縮運(yùn)動。導(dǎo)桿的加入讓整個機(jī)構(gòu)更加協(xié)調(diào)與美觀。底部旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖4 所示。此結(jié)構(gòu)主要用于與渦輪軸連接，通過鉸鏈的方式又與豎梁實(shí)現(xiàn)連接。可看到中心部分有許多孔，每個孔與蝸輪軸上的孔是對應(yīng)的，通過銷的插入，實(shí)現(xiàn)與渦輪軸的連接，當(dāng)渦輪軸旋轉(zhuǎn)便帶動底部旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)一步帶動豎梁的旋轉(zhuǎn)。

圖3 機(jī)械臂模型圖Fig.3 Mechanical arm model

圖4 底部旋轉(zhuǎn)盤Fig.4 Bottom rotating disc

1.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要考慮到機(jī)構(gòu)形式、抓取方式、抓取力等因素。設(shè)計(jì)抓取的主要是藥物，質(zhì)量較輕，故機(jī)構(gòu)形式與抓取方式是設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的主要考慮內(nèi)容，對抓取力不做太多的考慮。

搬運(yùn)用末端執(zhí)行器分為氣吸式與機(jī)械夾持式2種。氣吸式按照負(fù)壓的方式有擠壓式吸盤、氣流負(fù)壓式吸盤、真空泵排氣式吸盤3 種形式；機(jī)械夾持式類似手指，可以夾緊與放松需抓取的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要夾取的是盛放藥物的器具，采用的是機(jī)械夾持式的末端執(zhí)行器。機(jī)械夾持式有多種結(jié)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)的性能與手指數(shù)量有關(guān)，有兩指、三指等，手指數(shù)目越多，夾持穩(wěn)定性也就越高，但控制難度也會增加。根據(jù)不同的使用要求，機(jī)械手指的數(shù)量也不相同，本文中夾取的目標(biāo)物體本就是較輕的藥物，二指式的機(jī)械手即可滿足使用要求，其結(jié)構(gòu)與控制也比較方便。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 末端執(zhí)行器Fig.5 End effector

本機(jī)構(gòu)的作用是夾取盛放藥物的器具（藥盒、藥瓶等）。通過改變氣壓引起活塞桿的運(yùn)動，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩個手指的夾緊與松開，從而完成藥物的夾緊以及擺放。在夾指內(nèi)附著尼龍或者橡膠等一些柔軟材料，在夾緊的過程中可以一定程度上增加一定的摩擦力，不用太大的夾緊力就可以很好地實(shí)現(xiàn)對藥物的夾取，實(shí)現(xiàn)了對盛放藥物器具的保護(hù)，保持原形狀不變。

設(shè)計(jì)機(jī)械手指采用的是二指的夾緊方式，因此是2 個機(jī)械手指。2 個機(jī)械手指通過推桿與活塞桿相連接，并與活塞桿成對稱連接，尺寸設(shè)計(jì)使突起的兩端恰好能卡入下端蓋處預(yù)留的卡槽內(nèi)。如圖6 所示。

圖6 機(jī)械手指Fig.6 Mechanical finger

整個末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。上端蓋進(jìn)氣時，活塞桿便會向下運(yùn)動，推桿推動2 個機(jī)械手指反向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了放松；下端進(jìn)氣時，下端氣壓大于上端的氣壓，活塞桿向上運(yùn)動，帶動推桿收縮，推桿又進(jìn)一步帶動2 個機(jī)械手指同向而行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手指的夾緊。

圖7 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.7 End actuator

1.4 移動平臺的設(shè)計(jì)與建模

移動平臺充分考慮使用需求與使用場景，醫(yī)院過道并不是太寬敞，為了適應(yīng)這個場景，車體總體設(shè)計(jì)不應(yīng)太大，長約1 m，寬約0.6 m，能很好地適應(yīng)環(huán)境。整個移動平臺大致分為5 部分：車輪、車體上端蓋、車體下端蓋、驅(qū)動部分以及控制部分。為方便裝配，采用車體端蓋分離的設(shè)計(jì)。在車體主要部分，也就是下端蓋部分安裝點(diǎn)擊、控制系統(tǒng)等組成部分后，再安裝上端蓋。上端蓋部分的平臺能很好地給藥箱、機(jī)械臂系統(tǒng)提供安裝空間。

移動平臺的整體模型結(jié)構(gòu)如圖8 所示。移動平臺采用了麥克納姆輪，結(jié)構(gòu)如圖9 所示，采用此輪的目的是實(shí)現(xiàn)全方位移動。麥克納姆輪是1973 年由瑞士Mecanum 公司工程師BENGT ILON 發(fā)明的，它可在任何方向自由移動[15]。此輪的原理是車輪外圈固定于與中心軸成45°的自由滾子，當(dāng)車輪運(yùn)動旋轉(zhuǎn)時，成45°角排列的自由滾子與地面接觸，地面給予車輪沿著自由滾子轉(zhuǎn)軸方向的摩擦力，把該摩擦力分為沿著X向的分力和沿著Y向的分力，通過停止車輪或者正反轉(zhuǎn)車輪，改變了沿著Y向的分力和沿著X向的分力方向，通過分力改變的方式實(shí)現(xiàn)平臺的全方位移動。

圖8 移動平臺Fig.8 Mobile platform

圖9 麥克納姆輪Fig.9 Mecanum wheel

1919 年，美國人 GRABOWIECKI J 發(fā)明了“斯坦福輪” 萬向輪，它使 AGV 的應(yīng)用得到初步改善，也意味著第一個公認(rèn)的全方位移動AGV 的誕生[1]，而麥克納姆輪在萬向輪的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。JORGE采用對比試驗(yàn)法分析了全方位輪同傳統(tǒng)輪的主要區(qū)別，并采用旋量法建立了麥克納姆輪運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)方程，結(jié)果證明麥克納姆輪在無需占用過多工作空間的情況下，可實(shí)現(xiàn)斜行、側(cè)移、原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動。

基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動裝置可以實(shí)現(xiàn)正、斜、轉(zhuǎn)、橫等多種運(yùn)動行進(jìn)方式。基于這些優(yōu)勢，麥克納姆輪用于通道等狹小空間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向再合適不過。

整個移動平臺尺寸合理，結(jié)構(gòu)緊湊，不占用太大空間，同時能滿足整個設(shè)計(jì)的使用需求；4 個輪子分布的位置合理，車體內(nèi)部電機(jī)擺放的位置也充分考慮到力的分布位置，平臺的穩(wěn)定性極高，整個機(jī)器人在行進(jìn)的過程中基本不存在側(cè)滑、側(cè)翻等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

1.5 藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)建模過程也是對方案完善的過程。藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人普遍采用工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，在建模過程中參考工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)確定零件的結(jié)構(gòu)形式和每一個部分的零件組成。在裝配過程會出現(xiàn)干涉、定位基準(zhǔn)不重合或者尺寸不合理的情況，需要返回修改，重新設(shè)定零件的基準(zhǔn)位置、調(diào)整零件大小，保證裝配和整體結(jié)構(gòu)的合理性。

藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.10 Overall structure of drug transport robot

2 藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動仿真

由藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人仿真結(jié)果得到各部件的位置變動曲線，選取了整個機(jī)械手臂在水平方向、豎直方向的相對位移以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)2 個手指的位移幅值。分析曲線，得到機(jī)械臂伸縮的大致范圍、手指夾取的范圍。氣缸位移和手指位移的變化曲線分別如圖11、圖12 所示。

圖11 氣缸位移變化曲線Fig.11 Displacement curve of cylinder

圖12 手指的位移變化曲線Fig.12 Displacement curve of finger

結(jié)合設(shè)計(jì)及仿真分析，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在水平方向能活動伸縮的范圍為0～600 mm，在豎直方向能活動伸縮的范圍為0～400 mm。結(jié)合初始末端2 個手指的間隔距離在100 mm，2個手指恰好要接觸時，相向運(yùn)動了40 mm。由此可得，末端夾取的范圍在20～100 mm，符合市場絕大多數(shù)盛放藥物器具的夾取要求。

3 結(jié)語

本文通過知識圖譜構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建了藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的知識圖譜，通過知識圖譜能夠清晰地看出機(jī)器人的各個機(jī)構(gòu)以及零部件，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了新思路。

藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人采用模塊設(shè)計(jì)，利用三維軟件進(jìn)行建模裝配，建模分為4 個模塊，分別是機(jī)械臂部分的建模裝配、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模裝配、底部移動平臺的建模裝配、藥箱的建模裝配。全部建模組裝完成后，根據(jù)組裝效果又進(jìn)行了一定修正。最后運(yùn)用UG 軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，通過建立模型、定義連桿、選定相應(yīng)的運(yùn)動副、設(shè)置驅(qū)動等步驟得到了藥物轉(zhuǎn)運(yùn)仿生機(jī)器人的運(yùn)動姿態(tài)、執(zhí)行期望動作的情況。利用后處理模塊，得到整個末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移曲線以及夾取“手指”的位移曲線，觀察得到的運(yùn)動曲線，大致估算出藥物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人夾取的范圍和在機(jī)械臂系統(tǒng)可伸縮的范圍。