一種拖車式醫(yī)用配送機器人的設計與實現(xiàn)

任工昌 尚亞東 劉朋 胡小龍

摘? 要： 應急防控智能機器人在疾病防控中扮演著重要的角色。針對疫情防控過程中出現(xiàn)的物料配送不足問題，設計了一種醫(yī)用配送機器人，采用拖車式結(jié)構(gòu)，將立體循環(huán)車廂與機械手結(jié)合實現(xiàn)遞送服務。系統(tǒng)采用了裝有ROS系統(tǒng)的MiniPC和STM32單片機，實現(xiàn)了機器人自主定位導航和機械手通過視覺識別完成抓取動作等功能。樣機的實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)實現(xiàn)了設計功能，實現(xiàn)了配送過程的全程自動化。

關鍵詞： 立體循環(huán)車廂; 機器人; ROS; 機械手

中圖分類號：TP242.6????????? 文獻標識碼：A???? 文章編號：1006-8228（2021）01-41-04

Design and implementation of a trailer-type medical distribution robot

Ren Gongchang， Shang Yadong， Liu Peng， Hu Xiaolong

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science and Technology， Xi'an， Shaanxi 710021， China）

Abstract： Intelligent robot for emergency prevention and control plays an important role in disease prevention and control. In order to solve the problem of insufficient material distribution in the process of epidemic prevention and control， a medical distribution robot is designed， which adopts a trailer structure and combines the three-dimensional circulation carriage with the manipulator to realize the delivery service. The system adopts a MiniPc installed with ROS system and STM32 single chip microcomputers to realize the functions of autonomous positioning and navigation of robot， and grasping action of manipulator through visual recognition. The experimental results of the prototype show that the system realizes the designed functions and realizes the full automation in whole material distribution process.

Key words： three-dimensional circulation carriage; robot; ROS; manipulator

0 引言

隨著機器人技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了用于各種領域的機器人，在物流配送行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了各種物流配送機器人，配送機器人可以代替人類完成重復、繁重的工作[1]。在抗擊新型冠狀病毒期間，出現(xiàn)了各種醫(yī)用配送機器人，以降低醫(yī)護人員的交叉感染風險，減少醫(yī)護人員與病人接觸，提高管控工作效率，減輕醫(yī)護人員的心理壓力。

配送機器人可以在生產(chǎn)過程、運輸過程、配送過程發(fā)揮重要作用，配送機器人也可以在醫(yī)院、隔離區(qū)等多場景開展物資配送工作，出現(xiàn)的各種醫(yī)用配送機器人，大多都是一體式[2];機械手與配送機器人二者結(jié)合，它能夠在復雜環(huán)境中自主定位并遞送產(chǎn)品、貨物等[3]。

本文以拖車式結(jié)構(gòu)為基礎，設計一款立體循環(huán)式車廂，ROS系統(tǒng)作為上位機，處理編碼器、激光雷達、深度攝像頭反饋的信息，STM32F103作為下位機接受上位機傳遞的信息，控制電機轉(zhuǎn)動，最后完成樣機的制作，并在樣機上進行實驗。

1 總體設計方案

配送機器人的設計主要由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成，采用拖車式結(jié)構(gòu)，對機器人的車廂結(jié)構(gòu)和自動連接裝置進行設計，通過自動連接裝置連接，實現(xiàn)一機多車廂的功能，將立體循環(huán)車廂與機械手結(jié)合，便于視覺識別、定位和機械手抓取，控制系統(tǒng)采用上位機和下位機的結(jié)構(gòu)，分別對機器人的上位機ROS系統(tǒng)進行設計和下位STM32進行設計，利用深度攝像頭對物品進行識別和定位。

2 醫(yī)用配送機器人結(jié)構(gòu)設計

采用拖車式機器人結(jié)構(gòu)，由牽引車頭和拖車兩部分組成，如圖2所示。牽引車頭主要提供動力和自主導航，拖車部分由模塊化的車廂構(gòu)成，實現(xiàn)不同任務更換不同車廂的功能，其中針對口服藥品、食品的配送設計一款立體循環(huán)式車廂，車廂前側(cè)安裝一款5自由度機械臂，車廂后側(cè)安裝深度攝像頭，牽引車部分和拖車部分通過自動連接裝置連接。

2.1 立體循環(huán)車廂設計

針對醫(yī)藥用品的配送，設計了一款立體循環(huán)式車廂，保證醫(yī)藥用品的安全存取，易于攝像頭的識別與定位，便于機械手的抓取，如圖2所示。

立體循環(huán)車廂主要包括循環(huán)結(jié)構(gòu)、平衡結(jié)構(gòu)，采用鏈條鏈輪循環(huán)結(jié)構(gòu)使小車箱循環(huán)轉(zhuǎn)動，平衡結(jié)構(gòu)根據(jù)直線段和圓弧段兩部分分別采用滑塊導軌和行星輪結(jié)構(gòu)，保證小車箱始終保持水平狀態(tài)。

結(jié)合深度攝像頭信息，控制系統(tǒng)可以控制每一個小車箱運動到最高處停止運動，進行存儲;該車廂的存儲和取物品的位置為同一位置，處于循環(huán)機構(gòu)運動的最高處。設計平衡機構(gòu)保證每個小車廂始終保持水平狀態(tài)，且車廂結(jié)構(gòu)緊湊，適用于智能配送機器人，箱門開口朝上方便機械手存取。

2.2 連接裝置設計

自動連接裝置是由連接桿、曲柄滑塊、壓力傳感器組成，如圖3所示。自動連接裝置有自動連接和自動脫落兩種狀態(tài)。自動連接狀態(tài)，當連接桿一端觸碰到連接槽的壓力傳感器時，控制裝置控制電機轉(zhuǎn)動，帶動曲柄的轉(zhuǎn)動，連桿連接滑塊，使滑塊向下運動，擋住連接桿，使拖車車頭和車箱連為一體;脫落狀態(tài)，控制裝置控制電機轉(zhuǎn)動，使滑塊向上運動，連接桿脫落，使拖車的車頭和車箱分離。車箱可以針對不同任務設計多種樣式車廂，通過自動連接裝置可以更換不同樣式的車廂。

3 控制系統(tǒng)

3.1控制系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)是由上位機和下位機兩部分組成，裝有ROS系統(tǒng)的MIniPC作為上位機處理編碼器、激光雷達、深度攝像頭反饋的信息，與遠程計算機通過無線路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，處理后的信息實時的傳給遠程計算機，遠程計算機以這些信息對多臺配送機器人進行調(diào)度。STM32F103作為下位機控制單元，由于采用牽引車和拖車的結(jié)構(gòu)，分別用三個STM32F103來控制，第一部分為控制牽引車，位于牽引車頭，第二部分為控制立體循環(huán)車廂，位于拖車部分，第三部分機械臂有專用的控制器，其硬件連接如圖4所示。

激光雷達采用RPLIDARA2雷達，該設備與車載PC直接連接，將掃描數(shù)據(jù)直接發(fā)送至上位機處理。

深度攝像頭采用樂視3D體感攝像頭，型號為LeTMCM-302，將獲取的信息直接發(fā)送至上位機處理，可以通過算法對目標物進行定位與識別，從而實現(xiàn)機械手自主存取物品的控制。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件框架如圖5所示，軟件控制系統(tǒng)主要分為三層，操作系統(tǒng)層、驅(qū)動層和硬件層[4-5]。

Ubuntu14.04系統(tǒng)安裝有ROS，版本為Kinetic，作為操作系統(tǒng)層核心，各個功能包有著不同的作用，move_base包可以根據(jù)各個傳感器反饋的信息進行路徑規(guī)劃，使機器人移動到指定位置，amcl包主要是根據(jù)已有的地圖進行自主定位與導航，Cartographer包實現(xiàn)建圖功能，rviz為ROS提供了一種可視化工具等。

驅(qū)動層有的是硬件驅(qū)動，有的是軟件驅(qū)動，各個驅(qū)動包安裝在上位機，如樂視3D體感攝像頭的驅(qū)動包ros_astra_camera安裝在上位機中。

3.3 下位機軟件設計

下位機的主要作用是通過訂閱話題的通信方式，接收上位機傳來的運動信息，并通過增量式PID控制算法實現(xiàn)電機速度的無級調(diào)節(jié)，并向上位機反饋當前運動數(shù)據(jù)和傳感器的信息。

STM32F103作為下位機控制單元，由于采用牽引車和拖車的結(jié)構(gòu)，分別用三個STM32F103來控制，如圖6所示，分別為牽引車驅(qū)動模塊、立體循環(huán)車廂轉(zhuǎn)動模塊、機械臂模塊。第一部分為控制牽引車，位于牽引車頭，通過電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)對二個差速驅(qū)動輪的實時控制，其中，電機帶有二進制光電編碼器，可將運動數(shù)據(jù)反饋至控制單元中，實現(xiàn)對驅(qū)動輪的閉環(huán)控制;第二部分為控制立體循環(huán)車廂，位于拖車部分，控制立體循環(huán)式車廂的轉(zhuǎn)動及廂門的開合，其中，驅(qū)動立體循環(huán)機構(gòu)的電機帶有二進制光電編碼器，由于每個小車廂的均勻分布，通過PWM控制使小車廂到達最高處，設置有傳感器可以使循環(huán)機構(gòu)恢復初始狀態(tài)，箱門框架處設置有光電傳感器，通過光電傳感器對箱門進行限位;第三部分機械臂有專用的控制器;第一部分與上位機MiniPC之間采用串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，第二、三部分與上位機MiniPC之間采用藍牙連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

3.4 上位機軟件設計

采用分布式處理框架的ROS系統(tǒng)作為上位機，主要兩個模塊是定位導航和機械臂控制，提供許多開源的功能包，幫助我們迅速完成軟件系統(tǒng)搭建。上位機軟件設計如圖7所示在定位導航模塊，利用Cartographer功能包實現(xiàn)建圖功能[6]，在建好地圖的情況下，ROS導航主要需要使用到兩個功能包，一個是move_base，另一個是amcl。move_base功能包可以根據(jù)各個傳感器反饋的信息進行路徑規(guī)劃，使機器人移動到指定位置，路徑規(guī)劃通過 move_base 功能包實現(xiàn)，具體可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃采用迪杰斯特拉算法，局部路徑規(guī)劃采用動態(tài)窗口方法 DWA（Dynamic Window Ap-proaches）計算最優(yōu)避障路徑及機器人的實時速度和角速度[7]，amcl功能包主要是根據(jù)已有的地圖進行自主定位與導航，它采用了自適應蒙特卡羅定位算法[8]。

機械臂控制使用MoveIt。它屬于ROS系統(tǒng)的一部分，用于控制多關節(jié)機械臂;提供了一系列成熟的插件和工具，可以實現(xiàn)機械臂控制的快速配置;封裝了大量API，方便在MoveIt模塊上進行二次開發(fā)[9、10]。主要包括碰撞檢測、運動學求解、運動路徑規(guī)劃、操作控制等功能[11.12]。通過Solidworks三維建模轉(zhuǎn)為URDF模型，用Move It對URDF模型進行配置，配置流程如圖8，配置完成后，創(chuàng)建和修改一些文件，通過話題通信方式控制真實的機械臂。

4 實驗及分析

根據(jù)設計的醫(yī)用配送機器人機械結(jié)構(gòu)，采用鋁型材、亞克力板等材料，制作的樣機如圖9所示。

如圖10是機器人在直線走廊建圖，紅色線條表示局部路徑規(guī)劃，說明該機器人能夠順利的躲避障礙物，實現(xiàn)自主導航功能;圖11是機械手自動抓取過程實物展示圖。控制立體循環(huán)車廂的轉(zhuǎn)動及箱門的開合，通過樂視3D體感攝像頭的識別與定位， MoveIt控制機械手實現(xiàn)自動抓取功能。

5 結(jié)束語

本文設計了拖車式醫(yī)用配送機器人的車廂和自動連接裝置的機械結(jié)構(gòu)，對立體循環(huán)車廂的控制系統(tǒng)進行設計，最后制作出醫(yī)用配送機器人的樣機，對該樣機在室內(nèi)走廊中進行了建圖、導航及避障的實驗，以及機械手的抓取實驗，結(jié)果顯示，機器人達到室內(nèi)配送的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全程自動化。下一步研究視覺識別，通過視覺識別，完成物品的分類。

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收稿日期：2020-09-11

基金項目：西安市未央?yún)^(qū)科技計劃項目（201914）

作者簡介：任工昌（1962-），男，陜西西安人，博士，陜西科技大學教授、博導，主要研究方向：產(chǎn)品創(chuàng)新理論。

通訊作者：尚亞東（1995-），男，陜西漢中人，碩士，主要研究方向：圖像識別。