基于PID控制的醫(yī)療廢物自動(dòng)收集系統(tǒng)研究

江祎瓏，陳維娜，謝天豪，戴眾興，丁豪杰，胡興柳

（金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引言

醫(yī)療廢物桶是指裝有醫(yī)療機(jī)構(gòu)在醫(yī)療過(guò)程中、預(yù)防保健以及其他醫(yī)療相關(guān)的活動(dòng)中產(chǎn)生的具有傳染性、毒性或者其他危害性的廢物容器。醫(yī)療廢物共分5類(lèi)，具體可以參見(jiàn)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》[1-3]。

現(xiàn)有的醫(yī)療廢物箱很少具有智能的自動(dòng)裝車(chē)等功能，在裝車(chē)過(guò)程中需要大量使用人力和物力。在新冠疫情期間，這樣的危害尤其突出，處置不當(dāng)很容易由于接觸傳染源而影響自身健康，進(jìn)而造成二次傳染[4-5]。同時(shí)由于相關(guān)醫(yī)療物品使用量劇增，如何妥善處置這些廢物，也給醫(yī)療工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的快速發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)數(shù)據(jù)信息的時(shí)代，需要提升醫(yī)療服務(wù)的智能化和信息化水平，因此更為安全的醫(yī)療操作流程逐漸被人們所推崇[6-7]。

為了克服現(xiàn)有廢物箱沒(méi)有自動(dòng)裝車(chē)定位等功能的缺點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)裝車(chē)式醫(yī)用廢物箱，通過(guò)對(duì)機(jī)械臂和智能廢物收集車(chē)的組合，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用廢物的自動(dòng)收集系統(tǒng)的模擬。該系統(tǒng)以自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)綜合運(yùn)用各類(lèi)傳感器，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到智能回收醫(yī)療廢物的目的。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了自動(dòng)控制技術(shù)，同時(shí)為醫(yī)學(xué)自動(dòng)化領(lǐng)域研究做鋪墊[8-9]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

醫(yī)療廢物自動(dòng)收集系統(tǒng)可以幫助醫(yī)療工作者回收醫(yī)用垃圾時(shí)避免直接接觸。以紅、綠、藍(lán)三色方塊為例，作為待回收的垃圾桶，機(jī)械車(chē)需實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車(chē)，并使用機(jī)械臂將通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)單的物塊按顏色裝入車(chē)體，完成操作后繼續(xù)行駛尋找下一目標(biāo)。系統(tǒng)如圖1所示。平臺(tái)的硬件部分包括：醫(yī)用廢物車(chē)、智能傳感裝置、機(jī)械手以及醫(yī)療廢物箱等多個(gè)部分。

硬件系統(tǒng)以廢物收集車(chē)作為平臺(tái)，車(chē)體可以移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂。硬件平臺(tái)的控制系統(tǒng)采用的是STM32處理器，作為主控系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)控制車(chē)體的電機(jī)和舵機(jī)的運(yùn)行。本系統(tǒng)還采用ARM9處理器處理語(yǔ)音信息指令并監(jiān)測(cè)車(chē)體周?chē)鸂顟B(tài)和環(huán)境。當(dāng)使用者發(fā)出語(yǔ)音命令后，通過(guò)手機(jī)App經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸送入處理器內(nèi)部，處理器進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，并進(jìn)行指令翻譯。翻譯完成后，處理器將指令傳送給STM32單片機(jī)再轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和廢物收集車(chē)的控制。系統(tǒng)由手機(jī)App上位機(jī)遠(yuǎn)程控制部分和機(jī)械臂廢物收集車(chē)兩部分組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

控制板包括兩個(gè)部分：基礎(chǔ)板（見(jiàn)圖3）；Arduino板和STM32板。控制板的正常工作電壓在6.4～8.4 V，供電采用的是AD/DC電源適配器，當(dāng)電壓低于6.4 V時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒使用者充電。

圖3 智能廢物收集車(chē)控制板

控制板上的USB接口供調(diào)試使用?？偩€(xiàn)接口與舵機(jī)相接，信號(hào)接收器端口與手柄信號(hào)接收器相接，使用者可通過(guò)手柄控制機(jī)械臂。中間的3.3 V，5 V端口是控制板給外接設(shè)備提供的電壓值。藍(lán)牙接口可接藍(lán)牙通信設(shè)備，然后通過(guò)手機(jī)連接控制機(jī)械臂。

2 系統(tǒng)控制算法

2.1 機(jī)械手臂控制算法

廢物收集車(chē)平臺(tái)是所有硬件搭建的基礎(chǔ)，因此需要該平臺(tái)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，因此該系統(tǒng)選擇了最便捷的PID控制算法[10-11]。機(jī)械臂控制板如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂控制板

PID調(diào)節(jié)是閉環(huán)自主控制調(diào)節(jié)，采用的控制方式分為模擬控制和數(shù)字控制。由于本系統(tǒng)是使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，因此，屬于數(shù)字PID控制范疇。數(shù)字PID控制包含很多方式，需要結(jié)合考慮系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行確定。由于醫(yī)療廢物收集車(chē)的移動(dòng)速度不會(huì)太快，硬件本身穩(wěn)定性比較好，因此這里采用了增量式PID算法。

舵機(jī)是決定機(jī)械臂性能的重要因素之一。本系統(tǒng)中的舵機(jī)是用STM32單片機(jī)中的PWM信號(hào)進(jìn)行控制的，根據(jù)PWM信號(hào)的空占比來(lái)改變舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置。

機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)的流程如圖5所示，第一步，進(jìn)行程序初始化，機(jī)器自檢和部件復(fù)位；第二步，控制模塊同時(shí)輸出多個(gè)電機(jī)脈沖信號(hào)及方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至指定位置；第三步控制執(zhí)行末端獲取醫(yī)療廢物；第四步是通過(guò)機(jī)械手臂將醫(yī)療廢物放至指定位置；第五步,運(yùn)行結(jié)束后整機(jī)復(fù)位。

圖5 機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)流程

2.2 環(huán)境感知模塊設(shè)計(jì)

環(huán)境感知模塊使用的是紅外傳感器，其測(cè)距范圍是10～80 cm，是由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)位置敏感檢測(cè)裝置以及相應(yīng)的計(jì)算電路構(gòu)成。

通過(guò)AD采樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)AD采樣值與紅外傳感器測(cè)量的距離關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出測(cè)量距離與采樣值之間成反比關(guān)系，而測(cè)量距離則與采樣值成正比關(guān)系，因此需要對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性化處理。

圖6 AD采樣值與測(cè)量距離的關(guān)系

表1 紅外測(cè)距模塊線(xiàn)性化后測(cè)試結(jié)果（單位：cm）

2.3 無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程通信

本系統(tǒng)利用藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，由手機(jī)App接收指令信息并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給STM32處理器，處理器再將機(jī)械臂周?chē)沫h(huán)境狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回給使用者。

系統(tǒng)在默認(rèn)模式下，廢物收集車(chē)接收藍(lán)牙遙控指令，如果要其他的設(shè)備通過(guò)串口對(duì)收集車(chē)進(jìn)行控制，需要先使用能串口控制端。如果使用遙控模式，收集車(chē)將接遙控指令。

2.4 伺服電機(jī)控制

廢物收集車(chē)行走是依靠車(chē)體左右兩邊的兩個(gè)伺服電機(jī)。與普通電機(jī)的工作原理不同，伺服電機(jī)的動(dòng)力來(lái)源于不同頻率的脈沖。如圖7所示，當(dāng)分別給定1.3 ms，1.5 ms，1.7 ms的脈沖時(shí)，電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、靜止和反轉(zhuǎn)3種狀態(tài)。

圖7 伺服電機(jī)的工作脈沖

不同頻率的脈沖是由單片機(jī)處理器給出的。廢物收集車(chē)的轉(zhuǎn)彎即通過(guò)一個(gè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)不轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車(chē)輪，設(shè)為主動(dòng)輪，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)廢物收集車(chē)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作；兩個(gè)萬(wàn)向輪為從動(dòng)輪，保持車(chē)身平衡和輔助轉(zhuǎn)彎。其中，使用3種不同特征的物塊來(lái)代替不同類(lèi)型的醫(yī)療廢物進(jìn)行拾取測(cè)試（見(jiàn)圖8）。

圖8 系統(tǒng)調(diào)試

如表2所示，拾取物塊2的成功率明顯小于拾取物塊1和物塊3。檢查發(fā)現(xiàn)，中間傳感器的角度向左偏離7°，調(diào)整后再進(jìn)行拾取。

表2 第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表3和表4所示，經(jīng)調(diào)整后，機(jī)械手臂可以準(zhǔn)確拾取物塊。不改變傳感器的角度，用上位機(jī)調(diào)整拾取角度再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表3 第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

機(jī)械手可以通過(guò)上位機(jī)的調(diào)試進(jìn)行不同位置的物體拾取。機(jī)械手臂在紅外傳感器的幫助下，可以將不同位置的物體拾取至目標(biāo)處。將機(jī)械手與智能小車(chē)相結(jié)合之后，機(jī)械手可以在行進(jìn)中識(shí)別物體，并拾取至目標(biāo)處，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類(lèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了醫(yī)用廢物自動(dòng)收集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，研究了系統(tǒng)的控制算法。該系統(tǒng)以機(jī)械臂代替人力將廢物桶傳送上廢物車(chē)，完成操作后放置回原處。整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器接受外界數(shù)據(jù)并反饋給系統(tǒng)和機(jī)械臂完成動(dòng)作，兩個(gè)部分協(xié)作完成。同時(shí)，廢物收集車(chē)還有巡線(xiàn)功能，可以脫離人工操作按既定的軌道運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行醫(yī)療廢物的智能拾取和回收。它將聲、光、電、計(jì)算機(jī)等不同技術(shù)融為一體，在柔性化生產(chǎn)和智能工廠(chǎng)中得到廣泛的應(yīng)用，具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工作可靠、安全性高等特點(diǎn)，也滿(mǎn)足了醫(yī)療領(lǐng)域智能化改造的需求。