醫(yī)療服務機器人控制系統(tǒng)設計

祝前峰?陸榮鑑?張建紅?谷雨

摘 要：智能機器人是機電一體化方向的重要研究對象，本文研究的醫(yī)療服務機器人不僅具有廣闊的應用前景，而且對社會發(fā)展有積極的促進作用?？刂葡到y(tǒng)的設計是醫(yī)療服務機器人實現(xiàn)各模塊功能的關(guān)鍵，此次設計的醫(yī)療服務機器人控制系統(tǒng)以dsPIC33EP256MU810為核心，并分別進行軟硬件設計。首先，結(jié)合實際情況，設計以dsPIC33EP256MU810為核心的醫(yī)療服務機器人控制板，其功能模塊包括電源模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機模塊、循跡傳感器模塊、電子羅盤模塊、測距傳感器模塊等;其次，完成醫(yī)療服務機器人的安裝后，對傳感器的布局進行分析與選擇，并對路徑規(guī)劃與循跡算法進行數(shù)學分析和研究;最后，從軟件設計的角度分析醫(yī)療服務機器人控制系統(tǒng)，如開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、主程序的主要流程、重要模塊的初始化等。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療服務機器人控制系統(tǒng);硬件設計;軟件設計;路徑算法研究

0 引言

中國版“工業(yè)4.0”規(guī)劃《中國制造 2025》指出，中國發(fā)展亟須提升信息化水平，提高與工業(yè)的融合程度，我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展將迎來重大機遇，為機器人技術(shù)發(fā)展提供了更廣闊的舞臺，智能化機器人的研究將成為我國產(chǎn)業(yè)建設的重要對象。[1]

我國機器人研發(fā)與應用正處于起步階段，工業(yè)機器人仍然是在仿制，難以創(chuàng)新，缺乏核心技術(shù)與核心競爭力。雖然我國在機器人機械學的研究領域取得了不少重大研究成果和突破，甚至一些研究成果已經(jīng)達到或超過國際同等水平，但不得不說我們?nèi)匀徊荒芟到y(tǒng)、全面、科學地進行機器人整機設計，關(guān)鍵零部件如電機等技術(shù)十分不成熟，所以現(xiàn)在國內(nèi)大部分機器人仍然需要從國外進口。

世界上第一臺醫(yī)療服務機器人Helpmate誕生于TRC公司，它于1990年研制成功并對外出售，目前已在世界各地的幾十家醫(yī)院投入使用。Helpmate可以獨立運動，它不需要輔助制導或者提前把路徑規(guī)劃好，當我們把循跡程序輸入機器人之后，Helpmate可以完成很多工作，例如送病歷、報表及信件，取送藥品，運送醫(yī)療設備和器材，完成簡單的換藥工作等。

通過研究機器人相關(guān)技術(shù)，學習專業(yè)課程知識，完成一套醫(yī)療服務機器人控制系統(tǒng)的設計、硬件電路的設計以及相關(guān)機械結(jié)構(gòu)的設計，旨在應用于醫(yī)療服務行業(yè)，承擔沿規(guī)定路線行進、躲避障礙物、問候病人、抓取藥物、快速運送藥物的功用。[2]發(fā)展醫(yī)療服務機器人，在行業(yè)中實行人機并用的模式，以醫(yī)療服務機器人部分替代24小時輪班護士，可以很好地實現(xiàn)醫(yī)院人員的合理安排，減少醫(yī)護人員的工作強度與壓力，大大提高醫(yī)護人員的幸福感與工作效率。

1 整體結(jié)構(gòu)概述

醫(yī)療服務機器人主要應用于醫(yī)療服務行業(yè)，它所應具有的功用包括循跡、避障、定向行駛、抓取物品、運輸物件、語音詢問等。為實現(xiàn)以上功用，設計者需要考量其機械結(jié)構(gòu)，如機械手的具體結(jié)構(gòu)、車身的選擇。機器人控制系統(tǒng)的設計，各類檢測器件、傳感元件的選型，尤其是控制板的硬件設計和軟件設計更是難點也是重點。同時，合理的路徑規(guī)劃是實現(xiàn)機器人流暢行進的難點與核心所在。綜合以上，為實現(xiàn)醫(yī)療服務機器人的功能，其功能模塊包括測距模塊、循跡模塊、驅(qū)動模塊、電子羅盤方向模塊。采用PWM驅(qū)動來驅(qū)動直流電機，選用紅外和超聲波傳感器來測距，選用三軸帶SPI接口的傳感器電子羅盤。

2 機械部分方案

機械手是醫(yī)療服務機器人的重要機械部分，為實現(xiàn)抓取物件的功能，從自由度的角度來看，6自由度機械手以及4自由度機械手是比較常見的兩種機械手;從坐標系的角度來看，圓柱坐標系、直角坐標系、球坐標系均有應用。[3]6自由度機械手的靈活性更強，在工作空間內(nèi)可以以多種角度靈活抓取物件，底座上的舵機對扭矩及功率要求較高，其靈活程度超過了醫(yī)療服務機器人的所需。4自由度機械手的靈活程度滿足醫(yī)療服務機器人的需要，醫(yī)療服務機器人在高速行進時，機械手可以向后折疊，盡量將自身重心與車體幾何中心重合，減少醫(yī)療服務機器人在行駛過程中的顛簸。

機器人的末端執(zhí)行器是一個安裝在機器人手臂上或者移動設備，使機器人能夠拿起一個對象，且具有傳輸、處理、夾持、放置和釋放目標到準確的離散位置等功用的機構(gòu)。[4]醫(yī)療服務機器人的夾取機構(gòu)是直接和目標物件接觸的機構(gòu)，夾取物件的速度以及穩(wěn)固程度直接決定了機器人完成任務情況的好壞，結(jié)構(gòu)簡潔、夾取穩(wěn)定好的夾取機構(gòu)是本醫(yī)療服務機器人的優(yōu)先選擇。

本醫(yī)療服務機器人的總體方案從自由度、抓取機構(gòu)的角度分析了多種機械手的優(yōu)劣以及適合的應用場合，最終選取了適合本醫(yī)療服務機器人的4自由度機械手及齒輪連桿夾取機構(gòu)。

3 醫(yī)療服務機器人硬件設計

本次醫(yī)療服務機器人硬件設計包括主控芯片選型、PLC控制板單元模塊設計、驅(qū)動板模塊設計和各類檢測傳感元器件選型等。其中，控制板模塊包括電源模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、測距模塊、聲音模塊、編碼器模塊、電子羅盤模塊、循跡傳感器模塊等。醫(yī)療服務機器人的整體硬件設計，分模塊對各硬件部分的設計思想、設計原理、所應用芯片功能進行了具體闡述，重點針對驅(qū)動部分，即電機驅(qū)動與舵機驅(qū)動的硬件設計，為減小信號不一致造成的車體一側(cè)轉(zhuǎn)速不一的情況，最終選用兩路PWM控制的對應電路設計，應用大電流H橋的原理并設計了電機驅(qū)動板。重點是對循跡傳感器的選型及布局，經(jīng)過分析，選擇安裝了三組8路數(shù)字灰度傳感器，每組灰度傳感器間隔100mm，離地高度約30mm。調(diào)試盡量使三組灰度傳感器的靈敏度保持一致，為循跡算法帶來便利。

4 路徑識別算法總概

醫(yī)療服務機器人使用灰度傳感器作為循跡模塊，灰度傳感器對地面路況的判斷主要是通過對灰度以及白度的區(qū)分。當對管照到白時，對管輸出電壓高于給定電壓，比較器輸出為高電平，即1;當對管照到黑的時候，此時對管輸出的電壓低于給定電壓，比較器輸出為低電平，即0。基于這個原理，可以提出一種比較常見的路徑算法，通過I/O端口灰度傳感器輸出信號讀入單片機，根據(jù)輸入單片機端口的高低電平邏輯判斷該灰度傳感器是否處于路徑標記線上方，經(jīng)過三組灰度傳感器組的共同判斷，便可判斷此時車身偏離路徑線的程度，從而調(diào)速。[5]

5 醫(yī)療服務機器人控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

MPLAB? IDE軟件程序可以用于開發(fā)Microchip公司生產(chǎn)的單片機和數(shù)字信號控制器等。由于它提供了一個統(tǒng)一的集成“環(huán)境”來支持嵌入式單片機的代碼開發(fā)，因此被稱為集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。[6]從以下幾個角度說明醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)軟件設計，如開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、主程序主要流程、幾個重要模塊的初始化，包括電機驅(qū)動模塊、語音及撥碼盤模塊、循跡模塊、舵機模塊等，對其中的重要配置參數(shù)。

6 結(jié)語

當下，智能機器人是機電一體化方向的重要研究對象，本文所研究的醫(yī)療服務機器人不僅具有廣闊的應用前景，而且對社會發(fā)展有積極的促進作用。本醫(yī)療服務機器人選用的主芯為Microchip公司的dsPIC33EP256MU810，3.3V供電保證芯片功耗較小，改進型哈佛結(jié)構(gòu)使其運行速度快、集成度高，[7]醫(yī)療服務機器人對運動控制的要求基本可以得到滿足，同時高速高性能MCU及CPU為復雜的控制算法、軌跡控制提供了硬件保證。

參考文獻：

[1] 華豪.工業(yè)企業(yè)信息化的理論及實踐探索[D].南京理工大學，2014.

[2] 魏瑋，吳冠杰.嵌入式單目機器人視覺檢測及避障系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2014（11）：3487-3489.

[3] 鄭雪林.基于視覺伺服的仿人機器人智能抓取技術(shù)研究[D].東北大學，2013.

[4] Ethem Toklu，F(xiàn)ehmi Erzincanli . Investigation of flow and vacuum lifting forcea non-contact on end effector for robotic handling of non-rigid material[J]. Scientific Researchand Essays，2011（29）：6152-6161.

[5] M.Beauvais，C. Kreueher， S.Lakshmanan . Building world models for mobile Platforms using hetergenerous sensors fusion and temporal analysis[J]. In The IEEE Intelligent Transportation System97 Symposium，2005，12（6）：230-235.

[6] Thomas Kibalo . Beginners Guide to Programming the PIC24/dsPIC33： Using the Microstick and Microchip C Compiler for PIC24 and[M]. CreateSpace Independent Publishing Plat，2014.

[7] 倪福銀.基于DSP的智能遙控小車設計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012（03）：207-209+213.

作者簡介：祝前峰（1996—），男，研究生在讀，主要從事機電一體化、嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。