一種關(guān)于自由同步移動(dòng)式醫(yī)護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

郝婉秀，孟俊煥，朱傳達(dá)，韓稷瀠

（德州學(xué)院能源與機(jī)械學(xué)院，山東 德州 253023）

前言

隨著中國(guó)現(xiàn)代化水平的提高和人工智能的崛起，越來越多的智能機(jī)器人廣泛地應(yīng)用到了各行各業(yè)，醫(yī)療是一個(gè)關(guān)乎民生的行業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化將對(duì)患者的治療有著極大的重要作用。目前已經(jīng)有很多智能醫(yī)療發(fā)明應(yīng)用到了實(shí)際之中，給醫(yī)護(hù)人員和患者都帶來了極大的便利。

但目前我國(guó)的醫(yī)護(hù)水平還有待提高，特別是今年突然爆發(fā)的疫情，患者居多，然而醫(yī)護(hù)人員數(shù)量有限，對(duì)于一些需要長(zhǎng)期住院治療的人群來說他們需要長(zhǎng)期的治療、持續(xù)地輸液，需要醫(yī)療器械的檢查，但同時(shí)他們也需要戶外漫步鍛煉，需要出去呼吸新鮮空氣等活動(dòng)，由于醫(yī)護(hù)人員有限，不能為每位患者提供長(zhǎng)時(shí)間陪伴的服務(wù)，故針對(duì)這種情況，我們推出了自由同步移動(dòng)式醫(yī)護(hù)設(shè)備，適用于那些需要離開病床活動(dòng)的患者。

1 移動(dòng)控制原理

四驅(qū)麥克納姆輪的移動(dòng)包括左右前后及斜向平移、左右轉(zhuǎn)向及中心自轉(zhuǎn)等，都是通過四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪不同的轉(zhuǎn)向分配取得，車輪的配置如圖1所示：

圖1 車輪的配置

物理上我們都知道，速度是可以分解的，而麥克納姆輪正是利用速度方向的分解特性，在不改變車體方向的條件下實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)[1]。

1.1 車體的移動(dòng)與車輪轉(zhuǎn)向配置

（1）前行，示意如圖2所示：

圖2 車輪前行

（2）后退：同前行，四個(gè)車輪相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

（3）左移，示意如圖3所示：

圖3 車輪左移

（4）右移：同左移，四個(gè)車輪相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

（5）左前斜行，示意如圖4所示：

圖4 車輪左前斜行

（6）右前斜行、左后斜行、右后斜行：同左前斜行，給不同車輪分配轉(zhuǎn)向即可。

當(dāng)然，不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向來使車體前后左右斜向移動(dòng)，還可以通過控制轉(zhuǎn)速（即力的大?。?shí)現(xiàn)車體各個(gè)方向的移動(dòng)。所以麥克納姆輪型車體的移動(dòng)方式，可以通過控制四個(gè)車輪的速度矢量（大小和方向）實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。

2 同步跟隨功能設(shè)計(jì)原理

同步跟隨功能是利用人體傳感器并搭配超聲波測(cè)距傳感器，將使用者的位置信息輸入單片機(jī)，根據(jù)同步移動(dòng)的算法，通過PID調(diào)節(jié)車輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速使服務(wù)架與使用者相對(duì)靜止[2]。示意如圖5所示：

圖5 同步跟隨示意圖

2.1 實(shí)現(xiàn)步驟

同步跟隨功能步驟分解（一個(gè)人體傳感器和一個(gè)超聲波測(cè)距傳感器為一組傳感器）：

（1）傳感器組轉(zhuǎn)動(dòng)位置，使中心傳感器指向跟隨目標(biāo)；

（2）人體移動(dòng)，相鄰傳感器采集到目標(biāo)人體的信息；

（3）傳感器組轉(zhuǎn)動(dòng)，使中間傳感器重新采集到人體信息；

（4）根據(jù)傳感器組的轉(zhuǎn)動(dòng)角度（即電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖信號(hào)）和兩次中心傳感器采集到的距離之差，計(jì)算車體移動(dòng)的x軸距離和y軸距離數(shù)據(jù)；

（5）單片機(jī)輸出信號(hào)控制車體移動(dòng)相應(yīng)距離；

（6）單片機(jī)的運(yùn)算速度非?？?，可以設(shè)定每幾毫秒進(jìn)一次中斷進(jìn)行該算法循環(huán)一次，再加上車體移動(dòng)PID調(diào)節(jié)，使車體與人的移動(dòng)處于靜態(tài)平衡從而達(dá)到相對(duì)靜止。

3 路線循跡功能設(shè)計(jì)原理

考慮到實(shí)際情況，采用探測(cè)墻面的循跡方法，使服務(wù)架貼近墻面行駛，由于墻面互相垂直，適合麥克納姆輪的前后及橫向左右運(yùn)動(dòng)。

每邊僅用三個(gè)檢測(cè)距離的光電式紅外傳感器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)一面墻的檢測(cè)，車體邊側(cè)前部、中部和后部各配置一個(gè)指向同一個(gè)墻面的光電式紅外傳感器，前部和后部的傳感器設(shè)定最遠(yuǎn)檢測(cè)距離[3]。其安放位置如圖6所示：

圖6 傳感器安放位置

3.1 實(shí)現(xiàn)步驟

（1）當(dāng)兩個(gè)傳感器都檢測(cè)不到墻面即遠(yuǎn)離墻面的時(shí)候，車體向墻面移動(dòng)；

（2）當(dāng)只有一個(gè)檢測(cè)到墻面另一個(gè)檢測(cè)不到的時(shí)候，表明車體相對(duì)墻體有一定的偏差，需要轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)至與墻面平行；

（3）而當(dāng)中部的傳感器檢測(cè)到墻面時(shí)，表明車體距離墻面過近，有相撞的危險(xiǎn)，需要向遠(yuǎn)離墻面的方向行駛，若是在行駛過程中部傳感器檢測(cè)到墻面，則車體的行駛方向與墻面不平行，需要微調(diào)轉(zhuǎn)向；

（4）當(dāng)沒有碰到這些情況且與人體保持在設(shè)定范圍之內(nèi)，車體向前移動(dòng)。

如此一來，車體便能與墻面保持一定的距離下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，一直保持這個(gè)安全的距離。

當(dāng)然，循跡功能的前提是跟隨功能的實(shí)現(xiàn)，只有在與使用者保持一定的距離時(shí)采取循跡功能，當(dāng)與使用者的距離大于設(shè)定值時(shí)，則取消循跡功能，只有滿足與使用者的距離和與墻面的距離這兩個(gè)條件時(shí)，才自動(dòng)切換到循跡模式。而這樣的條件，又滿足了服務(wù)架會(huì)跟隨使用者行駛，而不會(huì)遇到轉(zhuǎn)彎車體自己轉(zhuǎn)向的情況。

4 智能避障功能設(shè)計(jì)原理

移動(dòng)時(shí)，不可避免地會(huì)遇到各種障礙物，所以要有智能避障這個(gè)功能。當(dāng)然，智能避障功能是在同步跟隨和路線行駛的模式中完成，當(dāng)車體遇到障礙物時(shí)，車體首先觸發(fā)斷續(xù)的蜂鳴器警報(bào)，警示使用者車體遇到障礙，會(huì)作出路線上的調(diào)整。智能避障的實(shí)驗(yàn)方式也較為簡(jiǎn)單，只需通過檢測(cè)障礙物的光電式紅外傳感器對(duì)周圍障礙的檢測(cè)，通過中斷之前的移動(dòng)算法，切換到避障算法，使車向沒有障礙物的方向并與障礙物保持一定距離繞過障礙物重新回到正常行駛的路線上，便可完成智能避障功能[4]。避障路線如圖7所示：

圖7 避障路線圖

5 服務(wù)功能

設(shè)置掛鉤，掛輸液瓶；設(shè)置托盤，為患者放置藥品、飲水、輸液瓶的物品；設(shè)有底座，盛放電源等其他電子醫(yī)療器械，設(shè)有報(bào)警器，在病人突發(fā)癥狀的時(shí)候發(fā)出警報(bào)，便于及時(shí)救治。

6 結(jié)論與展望

自由同步移動(dòng)式醫(yī)護(hù)設(shè)備為處在艱難困苦中的人們提供更全面的照顧，使在疾病中的人們也能體味到科技創(chuàng)新帶來的幸福，使創(chuàng)新真正地去幫助需要幫助的人。希望真正可以為我國(guó)的醫(yī)療事業(yè)提供便利，為智能服務(wù)型機(jī)器人開拓更寬的前景。