醫(yī)院智能配送機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王淼 賴志林 李睿 李良源 陳會(huì)斌

摘要：根據(jù)國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革2019年重點(diǎn)工作任務(wù)》中關(guān)于“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”的指導(dǎo)精神，從自動(dòng)化物流運(yùn)輸方面入手，構(gòu)建醫(yī)院智慧物流控制體系。首先對(duì)醫(yī)院智慧物流的必要性、功能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，隨后詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的主要功能模塊與硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)軟件控制策略與流程進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)，并以廣東省一家三甲醫(yī)院為例，介紹了醫(yī)院智能配送機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中取得的良好效果。該智能控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院智慧物流具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;配送;控制系統(tǒng);物流;智慧醫(yī)院;人工智能

0 引言

隨著醫(yī)院信息化管理的不斷深入以及醫(yī)療設(shè)備智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)大型綜合醫(yī)院的物流系統(tǒng)提出了新的要求。目前，傳統(tǒng)醫(yī)院物資采用人工配送方式，占用醫(yī)護(hù)人員大量的時(shí)間與精力，配送效率低、成本高、不可追溯且流程不可控，人員流與物資流使用相同通道，增加了交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，擁有一套以智能配送機(jī)器人為核心的自動(dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)已成為醫(yī)院智能化升級(jí)的必要因素，更是現(xiàn)代化醫(yī)院的標(biāo)志之一[1]。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求

醫(yī)院智能配送機(jī)器人控制系統(tǒng)需要滿足醫(yī)院內(nèi)各種復(fù)雜環(huán)境的要求，實(shí)現(xiàn)各個(gè)科室物資的大范圍、跨樓層的運(yùn)輸，故智能配送機(jī)器人應(yīng)具備定位導(dǎo)航、自主避障、自動(dòng)配送、自動(dòng)續(xù)航、智能交互、智能調(diào)度等功能。

1.2? ? 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)要求

（1）定位性能：誤差在10 mm;（2）轉(zhuǎn)向性能：誤差在0.5°以內(nèi);（3）安全性：系統(tǒng)最主要的就是安全，包括數(shù)據(jù)安全以及設(shè)備自身的安全防護(hù);（4）可靠性：系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基石，只有可靠的系統(tǒng)才能發(fā)揮有效的作用[2];（5）可拓展性：系統(tǒng)可無(wú)縫對(duì)接多種接口，如SPD、HERP、HIS等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

醫(yī)院智能配送機(jī)器人控制系統(tǒng)包含7大模塊，各個(gè)模塊功能如下：

（1）電源模塊：其是整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力的來(lái)源，為各個(gè)模塊提供能量[3]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于各個(gè)模塊對(duì)電源電壓的要求不一致，因此需將電源分為不同的等級(jí)對(duì)系統(tǒng)供電，從而滿足不同模塊的需求。

（2）主控模塊：其是控制系統(tǒng)的“大腦”，是控制系統(tǒng)最為核心的部分，主要對(duì)各個(gè)模塊起到協(xié)調(diào)作用[4]。主控模塊可接收各個(gè)模塊反饋的信息并進(jìn)行綜合、運(yùn)算、分析、處理，再用于對(duì)相關(guān)模塊的控制。

（3）運(yùn)動(dòng)控制模塊：MCU發(fā)送控制指令，機(jī)器人在接收目的指令后運(yùn)動(dòng)到指定位置，其中需要進(jìn)行直線行走、轉(zhuǎn)彎等。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)合智能算法，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度和方向等控制，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與精確性。

（4）避障模塊：機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中用于檢測(cè)障礙物，防止碰撞損壞機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人增加了超聲傳感器實(shí)時(shí)獲取障礙物的位置，遇到障礙物后做出相應(yīng)規(guī)避動(dòng)作，進(jìn)入停止等待狀態(tài)。

（5）導(dǎo)航及定位模塊：機(jī)器人在配送環(huán)境中用于導(dǎo)航與定位。其控制系統(tǒng)通過(guò)激光雷達(dá)獲得自身在環(huán)境中的位置信息，為機(jī)器人配送提供保障。

（6）無(wú)線通信模塊：其是機(jī)器人與后臺(tái)調(diào)度管理中心連接的紐帶，用于數(shù)據(jù)的傳輸，接收后臺(tái)調(diào)度管理中心的任務(wù)指令以及反饋機(jī)器人位置、狀態(tài)、電量、工作情況等信息。

（7）人機(jī)交互模塊：其主要功能是實(shí)現(xiàn)可視化操作，提高配送機(jī)器人的操作簡(jiǎn)便性，便于操作人員隨時(shí)觀測(cè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài);通過(guò)該模塊可以方便、快捷地對(duì)機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行修改、設(shè)定，以保證在不同工況下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人配送作業(yè)最優(yōu)化。

3 硬件設(shè)計(jì)

智能配送機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。具體步驟為：由后臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)或觸摸屏給機(jī)器人下發(fā)任務(wù)，機(jī)器人接收、解析任務(wù)后，通過(guò)激光雷達(dá)、雙目傳感器、二維碼掃描器、超聲波等傳感器信息處理與數(shù)據(jù)融合，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模型的分析、編碼器信息處理和電機(jī)速度與位置的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的配送功能。

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，將整個(gè)嵌入式軟件系統(tǒng)分為初始化模塊、中斷模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無(wú)線通信模塊。其中，初始化模塊主要包含對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、I/O端口功能的初始化、系統(tǒng)定時(shí)器的初始化、串口通信的初始化、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換的初始化。中斷模塊主要進(jìn)行標(biāo)志位的設(shè)置，保證程序時(shí)序邏輯正常。數(shù)據(jù)采集模塊主要采集和處理各個(gè)傳感器中的數(shù)據(jù)，包含編碼器脈沖數(shù)據(jù)的反饋與處理，可獲取機(jī)器人行駛速度信息;采集二維碼坐標(biāo)信息，可獲取機(jī)器人當(dāng)前位置信息;采集電池電壓信息，可獲取機(jī)器人當(dāng)前電量信息。運(yùn)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)配送機(jī)器人行駛和背負(fù)重物兩種功能的控制，包括對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制和方向控制以及對(duì)電動(dòng)桿的速度控制和位置控制。

5 應(yīng)用分析

以廣東省一家三甲醫(yī)院為例，智能配送機(jī)器人主要服務(wù)于中心藥房和消毒供應(yīng)中心，其可自主避障、自主充電、自動(dòng)呼梯和乘梯、自動(dòng)開關(guān)門，最終實(shí)現(xiàn)跨樓層運(yùn)輸任務(wù)。該機(jī)器人單次最大運(yùn)輸量可達(dá)300 kg，全天候24 h待命，平均每臺(tái)機(jī)器人的配送能力相當(dāng)于3～5人。該醫(yī)院在引入智能配送機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工進(jìn)行配送后，一方面大大提升了醫(yī)院物流的運(yùn)輸效率，另一方面釋放了醫(yī)護(hù)人員寶貴的工作時(shí)間，提高了整院醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)院智能配送機(jī)器人不僅解決了醫(yī)院現(xiàn)階段人工配送存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，更是通過(guò)智能配送機(jī)器人系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)醫(yī)院模式與新興先進(jìn)技術(shù)的交叉融合，不僅在行業(yè)內(nèi)起到了示范作用，更為以后搭建智慧物流系統(tǒng)甚至是建設(shè)智慧醫(yī)院提供了新的思路與途徑，推動(dòng)了醫(yī)療場(chǎng)景物流智能化及智慧醫(yī)院建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 夏琴曄，楊宜民.基于biSCAN和SVM的機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別新算法研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30（4）：65-69.

[2] 肖強(qiáng).地面無(wú)人車輛越野環(huán)境多要素合成可通行區(qū)域檢測(cè)[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[3] 孫銀健.基于模型預(yù)測(cè)控制的無(wú)人駕駛車輛軌跡跟蹤控制算法研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[4] 仵桂學(xué)，楊宜民，黃東運(yùn)，等.基于機(jī)器視覺(jué)的快速切割路徑生成系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與信息工程，2015（3）：12-15.

收稿日期：2020-07-27

作者簡(jiǎn)介：王淼（1989—），男，湖南人，工程碩士，助理工程師，研究方向：智能控制科學(xué)與技術(shù)（機(jī)器視覺(jué)、傳感器信息融合）。