護(hù)士助手機(jī)器人的設(shè)計(jì)

黃大志，游棲霞，杭智剛，黃丹

(淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港222005)

護(hù)士助手機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人[1－2]的一種，能夠應(yīng)用于日常醫(yī)療護(hù)理、代替醫(yī)生實(shí)施手術(shù)、軍事救援等領(lǐng)域。近年來(lái)，“非典”、禽流感、甲型H1N1 流感等流行病時(shí)常爆發(fā)，而遠(yuǎn)離病毒源和傳染病患者是預(yù)防傳染病的最好方法。護(hù)士助手機(jī)器人不僅能對(duì)病房消毒，運(yùn)送醫(yī)療器械、實(shí)驗(yàn)樣品及結(jié)果，為病區(qū)的人運(yùn)送藥、送飯和生活用品，清除病房垃圾，還能減少護(hù)理人員感染傳染病的幾率和工作強(qiáng)度，從而可以提高醫(yī)療機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度。所以研制護(hù)士助手機(jī)器人具有非常重要的意義。

1 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

工作人員只需一臺(tái)PC機(jī)，就可遠(yuǎn)程遙控護(hù)士助手機(jī)器人。工作人員根據(jù)機(jī)器人攝像頭不斷反饋回來(lái)的圖像，利用PC機(jī)上的軟件通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊向護(hù)士助手機(jī)器人發(fā)送各種命令，這樣就可遙控機(jī)器人完成巡游病房，通過(guò)攝像頭監(jiān)視病人情況，通過(guò)機(jī)械手抓取藥物送給病人并清理醫(yī)療垃圾等任務(wù)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 護(hù)士助手機(jī)器人方案圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)士助手機(jī)器人的三維模型圖如圖2所示。機(jī)器人主要由車(chē)體、電機(jī)、萬(wàn)向輪、機(jī)械手、攝像頭等部分組成。車(chē)體由現(xiàn)有醫(yī)院及衛(wèi)生場(chǎng)所常用的護(hù)士醫(yī)療手推車(chē)改造而來(lái)，將兩個(gè)原有的萬(wàn)向輪換成電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪，這樣機(jī)器人就可以自由運(yùn)動(dòng)，具體轉(zhuǎn)向靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人平臺(tái)上面放置一個(gè)5自由度的機(jī)械手，機(jī)械手可以到達(dá)平臺(tái)的任何地方，可以拿起送給病人的食物、藥品或藥具等。攝像頭放置在小車(chē)后面，不僅可以觀察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，還可以反饋機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，方便控制人員精準(zhǔn)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。另外攝像頭下有兩自由度的云臺(tái)，可以調(diào)整攝像頭上下左右的位置，以達(dá)到最佳的監(jiān)控角度。

圖2 機(jī)械人三維建模圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)為普通的PC機(jī)，只要有USB接口，就可以通過(guò)監(jiān)控軟件控制機(jī)器人代替護(hù)士去做一些簡(jiǎn)單的醫(yī)療服務(wù)。下位機(jī)主要由2個(gè)單片機(jī)及控制模塊組成。1號(hào)單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制無(wú)線(xiàn)接收模塊并和2號(hào)單片機(jī)通訊。2號(hào)單片機(jī)控制電機(jī)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)體運(yùn)動(dòng)的控制，控制機(jī)械手以及云臺(tái)的舵機(jī)。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 上位機(jī)

上位機(jī)主要由PC機(jī)、無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊和攝像頭無(wú)線(xiàn)接收模塊組成。PC機(jī)要求配置如下:操作系統(tǒng):Windows 98/2000/XP/vista/W7;CPU:Intel Pentium IV 2.8 GHz以上;內(nèi)存:大于等于512 MB;硬盤(pán):2 GB 剩余空間;接口:USB接口2個(gè)以上;光驅(qū):16倍CD-ROM以上。

3.2 下位機(jī)

下位機(jī)主要由2個(gè)單片機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。單片機(jī)選用STC89C51，該單片機(jī)比傳統(tǒng)51類(lèi)單片機(jī)執(zhí)行速度快10倍以上，內(nèi)部有8KB的EPROM，3個(gè)定時(shí)器，4路外部中斷，32個(gè)I/O接口，完全滿(mǎn)足控制機(jī)器人的需要[3－4]。1號(hào)單片機(jī)負(fù)責(zé)與上位機(jī)、2號(hào)單片機(jī)通訊。2號(hào)單片機(jī)主要用來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖4所示。用2個(gè)L298N[5]芯片來(lái)分別控制機(jī)器人2個(gè)運(yùn)動(dòng)電機(jī)。ENA，IN1，IN2的高低電平就可以控制電機(jī)停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和急停。2號(hào)單片機(jī)發(fā)給ENA的不同占空比的脈沖信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的PWM 調(diào)速。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

機(jī)器人的手臂和攝像頭云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)都是由舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)的，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與單片機(jī)發(fā)送給舵機(jī)的脈沖高電平時(shí)間的關(guān)系如表1所示。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后，通過(guò)軟件可操控機(jī)器手和云臺(tái)自由運(yùn)動(dòng)，也可設(shè)定自動(dòng)運(yùn)動(dòng)流程。

表1 高電平時(shí)長(zhǎng)與轉(zhuǎn)角關(guān)系

3.3 無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)

上位機(jī)與下位機(jī)的通訊都是無(wú)線(xiàn)的。監(jiān)控?cái)z像頭是線(xiàn)攝像頭，發(fā)送信號(hào)到無(wú)線(xiàn)接收模塊，通過(guò)模塊處理后，即可傳入PC機(jī)，通過(guò)軟件看到監(jiān)控畫(huà)面。同樣PC機(jī)發(fā)出的控制指令也是通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳送給單片機(jī)的。采用的是APC220-43模塊，它是高度集成半雙工微功率無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，TTL串口接口，配合1個(gè)USB轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)之間通訊。通過(guò)串口通訊將上位機(jī)指令發(fā)送到無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)電方式傳送給無(wú)線(xiàn)接收模塊，無(wú)線(xiàn)接收模塊與1號(hào)單片機(jī)串行通信，這樣實(shí)際上在PC機(jī)與單片機(jī)之間建立起無(wú)線(xiàn)的串行通信渠道。指令經(jīng)1號(hào)單片機(jī)分析完畢后，傳送給2號(hào)單片機(jī)執(zhí)行控制。

3.4 電源設(shè)計(jì)

機(jī)器人設(shè)計(jì)要求機(jī)器人能夠連續(xù)工作4 h以上，所以選擇24 V、5 000 mAh的可充電鋰電池。它體積小質(zhì)量輕，電量充沛，完全滿(mǎn)足需要。

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，24 V 不能完全滿(mǎn)足各部件電壓的需要，需要進(jìn)行降壓和穩(wěn)壓。攝像頭為12 V 直流電，所以設(shè)計(jì)了24～12 V的降壓電路。驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要穩(wěn)定的9 V 直流電，又將24 V 直流電經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)定到9 V，隨著電源電量降低，加在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的電壓波動(dòng)不大，保證了控制車(chē)體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定。其他的電路系統(tǒng)、舵機(jī)都需要5V的直流電，有需要將24 V 降壓并穩(wěn)定到5 V。這都為控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件由上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)單片機(jī)程序組成。該護(hù)士助手機(jī)器人通過(guò)上位機(jī)傳輸無(wú)線(xiàn)信號(hào)給下位機(jī)。上位機(jī)軟件由VB 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成。上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)串口通信。下位機(jī)軟件基于STC89C51 單片機(jī)，利用C 語(yǔ)言編程，利用Keil軟件調(diào)試、編譯和生成。

4.1 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

護(hù)士助手機(jī)器人監(jiān)控軟件如圖5所示。該軟件有以下功能:黑色區(qū)域?yàn)楸O(jiān)控區(qū)，攝像頭收集到的圖像信息在該區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示出來(lái)，方便操作人員了解機(jī)器人的狀態(tài)。界面左下部分為機(jī)械手控制區(qū)，可以控制機(jī)械手的每個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一定的功能。中下部為攝像頭控制區(qū)，可以方便地調(diào)節(jié)攝像頭云臺(tái)的前后左右狀態(tài)，來(lái)調(diào)整攝像頭拍攝的最佳位置。右下部為車(chē)體控制區(qū)，主要控制機(jī)器人前后左右自由的移動(dòng)，甚至能夠原地轉(zhuǎn)動(dòng)。該軟件還設(shè)置了復(fù)位功能，方便機(jī)器人自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。為了避免機(jī)器人意外的錯(cuò)誤操作，特意設(shè)置了急停功能，它能使機(jī)器人停止所有動(dòng)作。

圖5 監(jiān)控軟件界面

上位機(jī)監(jiān)控軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控軟件程序流程圖

4.2 通信程序

上位機(jī)監(jiān)控軟件利用VB的通信控件MSCOMM，文件名為MSCOMM.VBX 來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信。可對(duì)該控件設(shè)置串行通信是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)，設(shè)定串口狀態(tài)和通信信息協(xié)議和格式。

下位機(jī)利用了串行通信。使用CMOS 移位寄存器或TTL 來(lái)擴(kuò)充I/O 口。當(dāng)單片機(jī)的RXD與通信設(shè)備的TXD 相連時(shí)，單片機(jī)接收信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)的TXD與通信設(shè)備的RXD 相連時(shí)，單片機(jī)發(fā)送信號(hào)。SBUF是串行口緩沖寄存器，包含發(fā)送和接收寄存器。

波特率(Boud Rate)指在串口通信中一秒鐘發(fā)送或接收的位數(shù)(bits/s)。波特率的設(shè)定是關(guān)鍵，串口通信準(zhǔn)確進(jìn)行的前提之一是上下位機(jī)的波特率一致。在該護(hù)士助手機(jī)器人程序中設(shè)置波特率為9 600 bits/s。

4.3 電機(jī)控制程序

在電動(dòng)機(jī)負(fù)載一定時(shí)(即轉(zhuǎn)矩一定時(shí))，降低電壓，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速不同，這樣就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。而要實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只要給電機(jī)加反向電壓即可。電機(jī)的控制是通過(guò)PWM 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PWM[6](Pulse Width Modulation)控制即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制而等效地得到所需要的波形(含幅值和形狀)。脈沖信號(hào)事由單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4.4 舵機(jī)控制程序

舵機(jī)控制的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生周期為20 ms的脈沖電平信號(hào)，其中當(dāng)高電平在0.5 至2.5 ms之間變動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)由左極限(0)到右極限(180°)的轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人用的舵機(jī)控制信號(hào)的高低電平的脈寬長(zhǎng)度參數(shù) (h，l)與舵機(jī)的角度(θ)存在如下線(xiàn)性關(guān)系:h=θ/6+15;l=530－h(huán)。利用這個(gè)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。

5 結(jié)論

制作的護(hù)士助手機(jī)器人樣機(jī)如圖7所示。它能夠在200 m 范圍內(nèi)正常通訊和運(yùn)行，能夠抓起礦泉水放到病床旁，當(dāng)然也能拿起體溫計(jì)等小的醫(yī)療用品給病人。該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度與普通人相當(dāng)，運(yùn)動(dòng)靈活可靠，非常適合不宜護(hù)理人員經(jīng)常出入的病區(qū)或隔離區(qū)。

圖7 護(hù)士助手機(jī)器人樣機(jī)

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