基于Arduino 的智能醫用清運裝置設計

牛博宇 ，高強 ，宋佳妮 ，王碩 ，張恩富 ，胡彬

（1.沈陽工程學院機械學院，遼寧沈陽，110136；2.遼寧龍源新能源發展有限公司法庫分公司，遼寧沈陽，110000）

0 引言

全球醫院物流現狀中，歐美醫院的院內物流體系相對完善，且國外學者對這一領域的研究較為深入并積累了大量經驗。如荷蘭的Orbis 醫療中心引入Swisslog 公司生產的AGV 系統，提高了物流運輸的效率；美國舊金山醫院使用AETHON 公司生產的醫用物流機器人 TUG 作為醫院物流環節的搬運機器人，可以運輸一些醫生所需的物資，同時也可作為醫療垃圾廢物的垃圾桶和搬運設備。[1]而目前我國使用物流機器人的醫院主要集中于華東地區、華北地區以及華南地區，其中大多數為綜合醫院（占比70%），另外一部分為專科醫院（占比30%），在應用的物流機器人品牌中，國產機器人占大多數，占比為66.7%。我國的醫院物流建設相較于發達國家，仍然相對滯后，有必要將AGV 技術應用于國內各醫院物流領域，因此本文將基于AGV 技術設計一種新型醫療垃圾清運裝置。

1 總體方案設計

本文設計了一種智能清運裝置，其主要目的是代替人工轉運以降低轉運途中的感染風險。該設計采用AGV 技術，采用Arduino 主控板進行裝置控制，其具有多種接口能通過各種各樣的傳感器來感知環境，且系統不但開源而且使用簡單方便運用灰度傳感器布置機器人的行進路線，使用顏色傳感器對搬運物體進行識別與定位，運用剪叉式升降機構進行搬運作業。行動機構使用麥克納姆輪，實現在狹小空間內的全方位移動。

■1.1 機械系統

1.1.1 移動系統

據前文中對于移動環節提出的要求，根據實際的場地條件以及其他實際情況，綜合以下的車輪類型確定移動方案。

如表1 所示各類型車輪特點，結合醫院通道的實際情況選擇麥克納姆輪如圖1 所示，可實現設備橫移、斜行、旋轉、前向等所需運動方式，適用狹小的室內空間，且運行穩定，保證清運裝置的運動效率。

圖1 麥克納姆輪

表1 車輪類型方案表

麥克納姆輪輥子上的偏置角α=±45°，所以麥克納姆輪存在著左旋與右旋兩種情況，因此要實現清運裝置的全方位移動，麥克納姆輪有O_ 長方形、O_ 正方形、X_ 長方形和X_ 正方形四種安裝情況，其中O和X 表示的是麥克納姆輪四輪與地面接觸時所形成的不同投影形狀，正方形與長方形代表著輪子與地面的接觸點所形成的圖像。關于麥克納姆輪的安裝方式及受力分析如圖2 所示，通過比較以上四種安裝方式的特點，最終選取O_長方形為麥克納姆輪的安裝方式，各方式的特點如表2 所示。

圖2 麥克納姆輪安裝方式的受力分析

表2 安裝方式及特點

1.1.2 舉升系統

剪叉式舉升機構通過滾珠絲杠傳動，使得活動端前移而改變兩桿之間夾角，從而使得舉升平臺上升。

為方便分析和設計機構細節，本文將機構簡化為一曲臂連桿機構，原機構的兩個連桿由連桿A、B 表示，驅動部件統一由滑塊C 表示。

傳動性能的計算，如圖3 所示以連桿A 長度為半徑，旋轉中心為圓心畫圓，過旋轉中心做滑道方向的垂線與圓相交與點a，以a 為圓心連桿長為半徑做圓弧交滑道與點b，連接ab，發現ad 在同一條直線上，可知此機構的壓力角為零。

圖3 機構壓力角

運用瞬心法求解桿A 的角速度ωa，如圖4 所示將瞬心PAD、PAB、PCB以及瞬心PCD所在直線，連接PAD、PAB、PCD與和PCB連線的延長線，交點即為PAC，假設滑塊c 運動的速度為Vc則根據公式可以求解桿A 旋轉的角速度

圖4 機構瞬心

經計算可知這一機構的壓力角較小，有著優秀的傳動效率，并且舉升穩定，且通過絲杠與步進電機的配合，可以完成相對精確的舉升定位。

2 控制系統

■2.1 Arduino 主控板

本設備所需的控制邏輯比較復雜，需要接收多個傳感器同時發出的數據，對其進行計算，并進行快速判斷，與此同時，還要兼顧控制兩個電機驅動模塊共計四個減速電機的轉動，對于控制板的處理能力有著很高的要求，從系統運行效率，制作成本以及編程難度考慮，最終決定選擇Arduino控制板作為整個系統的控制模塊[2]。

Arduino 主控板分多版本，如Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad，滿足性能要求情況下為控制成本，本文采用的Arduino Uno 主控板，采用 AVR 單片機ATmega328P 作為主控制器[3]，集成開發環境為 Arduino IDE 其主要技術參數如表3 所示。

表3 Arduino Uno的主要參數

Arduino 主控板是整體裝置的核心模塊，負責接收顏色傳感器所收到的控制數據并加以處理，判斷并控制移動系統和舉升系統做出正確動作，與此同時，還需控制穩壓模塊，使其為整體裝置提供正常工作所需要的能量，總體框架如圖5 所示[4]。

■2.2 顏色傳感器

清運裝置的循跡與定位采用顏色傳感器，其由發光與接收兩單元組成，發光單元的作用是將光線照射在地面上，造成反射以供接收單元檢測，接收單元接收反射回來的光線并測量其光照強度，地面鋪設黑色引導線與白色地面使反射光的光照強度產生差異，輸出電壓不同，Arduino 控制板采集電壓變化情況分析出機器人位置[4]。運用顏色傳感器結合地邊鋪設的黑色交叉引線進行定位判斷，通過小車四周的灰顏色傳感器實時采集路面的信息，以便于計算小車的偏移量，同時在循跡行駛的前提下不斷計算交叉點，結合行駛方向不斷修正，從而完成目標定位，傳感器原理圖如圖6 所示。

圖6 顏色傳感器

■2.3 電機驅動模塊

本設備運用的電機驅動模塊為L298N 模塊，該模塊是意法半導體集團旗下量產的一種電機驅動芯片，擁有工作電壓高、輸出電流大、驅動能力強、發熱量低、抗干擾能力強等特點，通常用來驅動繼電器、螺線管、電磁閥、直流電機以及步進電機，其最大工作電流可達46V，持續工作電流為2A 可達到設備的工作要求[6]。電機驅動模塊原理圖如圖7 所示。

圖7 驅動原理圖

引腳介紹：

（1）IN1&IN2 引腳：電機驅動A 的輸入引腳，控制電機A 的轉動。當IN1 高電平IN2 低電平時，電機A 正轉；當IN1低電平IN2 高電平時，電機A 反轉。當IN1，IN2 同時高電平或低電平時，電機A停止工作。

（2）IN3&IN4 引腳：電機驅動B 輸入引腳，控制電機B 的轉動，控制原理與 IN1&IN2 引腳相同

（3）OUT1&OUT2：電機驅動A 的輸出引腳，與電機A 的A+、A-相連。

（4）OUT3&OUT4：電機驅動B 的輸出引腳， 與電機B 的B+、B-相連。

■2.4 電源穩壓模塊

本裝置運用LM2569S 降壓電源模塊進行電源穩壓，該模塊采用開關電源穩壓 IC-LM2596 制作的數顯大電流可調穩壓電源[7]，能夠以出色的線路和負載調節來驅動3A 負載。LM2576SX-5.0/NOPB 提供3.3V，5V，12V，15V 的固定輸出電壓，以及可調輸出版本。將 12V 的電壓降為5V 的電壓，再連接Arduino 控制板，提供穩定的5V 電壓。

■2.5 移動控制

如圖8 所示為移動控制部分的原理圖，本設備由5V 直流電源提供能源，Arduino 主控板的JO1 和JO0 與TXD（發送數據）和RXD（接收數據）端相連，同時安裝有兩個LED燈，

圖8 移動控制電路

實時反應數據傳輸情況。晶振3213 是內部心臟，所有的移動控制的執行命令都依賴它，它提供的時鐘頻率越高，運算速度就會隨之越快。

■ 2.6 舉升控制

如圖9 所示，當到達指定位置之后，電機開始轉動，同時顏色傳感器檢測升降裝置上升高度，當升降至指定位置時，顏色傳感器檢測到舉升設備，同時將數據發送至控制板，再由控制板發出控制信號，控制電機停止轉動。與此同時，我們添加了USB 轉接芯片，可以通過電腦進行舉升控制。

圖9 舉升控制電路

■2.7 控制算法

運用灰度傳感器結合地邊鋪設的黑色交叉引線進行定位判斷，通過小車四周的灰度傳感器實時采集路面的灰度信息，以便于計算小車的偏移量，同時在循跡行駛的前提下不斷計算交叉點，結合行駛方向不斷修正，從而完成目標定位。

當通過灰度傳感器獲得了小車相對于引導線的偏移量 與偏移量 ，偏移角度 ，車身的長寬分別為 和 。

因此可列出如下公式：

由式(1)可得：

其中Kp1，Kp2,Ki1,Ki2,Kd1,Kd2為光電傳感器測量所得參數，算法根據參數變化修正，使得裝置按照引導線行駛。

該循跡算法相較于普通算法區別在于將旋轉量α的引入，普通的循跡算法，小車進行車身的調整與修正，需要經過一段時間的行駛，而對于應用麥克納姆輪的小車來說，可通過車頭與車尾的平均偏移量，旋轉控制從而使車身與引導線平行，通過這兩個量進行反饋控制，可實現車身姿態的快速調整。

3 程序設計

■3.1 主程序設計

本設備使用c 語言進行編程，并采用模塊化設計，方便應對各種不同類型的實際情況都可以以最快的速度進行調試，主程序流程圖如圖10 所示，開機之后進行初始化設置并開始行走，在循跡模塊的控制下達到指定位置，到達指定位置后，啟動舉升模塊，將指定位置的垃圾舉起并開始返回程序，按照到達的行駛路線，原路返回至指定位置。

圖10 主程序流程圖

■ 3.2 循跡程序

圖11 為循跡程序流程圖，開機之后首先進行相關端口的初始化以及對于控制模塊的數據讀取，通過顏色傳感器讀取數據，使裝置判斷自身位置并執行行駛命令，當判斷至直行位置時，電機同時轉動并保持直行，當檢測至應左平移時或右平移時，根據麥克納姆輪的特性，使得電機驅動輸出不同的高低電平，促使裝置發生平移，具體輸出情況如表4所示。

圖11 程序流程圖

表4 引腳高低電平

■3.3 舉升程序設計

在執行移動指令之后，系統將繼續檢測控制數據，直至裝置到達指定位置，之后舉升系統啟動，并檢測通過距離傳感器檢測是否到達指定舉升高度，在到達指定高度之后，執行返回程序，將醫療垃圾搬運至指定位置，具體的流程圖如圖12 所示。

圖12 舉升系統流程圖

4 設備驗證

如圖13 所示，本裝置進行調試以驗證其可行性，在地面上鋪設黑色網格線布置場地，并設置貨架以模擬醫院中醫療垃圾的存放地點，從初始位置出發，裝置穩定行駛至指定地點并完成了舉升動作，以及搬運之后的返回程序，滿足了制定的預期目標，可以完成醫療垃圾搬運工作。

圖13 可行性分析

5 結論

本文設計了一種運用剪叉式升降機構及麥克納姆輪作為移動系統的醫療清運裝置，論述了升降機構的運動參數，以及移動部分的選取和控制系統。經過測試可知該小車的麥克納姆輪循跡算法可以快速修正車身偏移，且大偏離時不產生搖擺，運行穩定；通過地面格網循跡的室內定位算法實現定位準確，較容易實現應用；升降系統穩定，可平穩運行，完成既定的醫療垃圾搬運工作。