一種拖車式醫(yī)用配送機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任工昌 尚亞東 劉朋 胡小龍

摘? 要： 應(yīng)急防控智能機(jī)器人在疾病防控中扮演著重要的角色。針對(duì)疫情防控過程中出現(xiàn)的物料配送不足問題，設(shè)計(jì)了一種醫(yī)用配送機(jī)器人，采用拖車式結(jié)構(gòu)，將立體循環(huán)車廂與機(jī)械手結(jié)合實(shí)現(xiàn)遞送服務(wù)。系統(tǒng)采用了裝有ROS系統(tǒng)的MiniPC和STM32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主定位導(dǎo)航和機(jī)械手通過視覺識(shí)別完成抓取動(dòng)作等功能。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了配送過程的全程自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞： 立體循環(huán)車廂; 機(jī)器人; ROS; 機(jī)械手

中圖分類號(hào)：TP242.6????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? 文章編號(hào)：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(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了用于各種領(lǐng)域的機(jī)器人，在物流配送行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了各種物流配送機(jī)器人，配送機(jī)器人可以代替人類完成重復(fù)、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(jī)器人，以降低醫(yī)護(hù)人員的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，減少醫(yī)護(hù)人員與病人接觸，提高管控工作效率，減輕醫(yī)護(hù)人員的心理壓力。

配送機(jī)器人可以在生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程、配送過程發(fā)揮重要作用，配送機(jī)器人也可以在醫(yī)院、隔離區(qū)等多場(chǎng)景開展物資配送工作，出現(xiàn)的各種醫(yī)用配送機(jī)器人，大多都是一體式[2];機(jī)械手與配送機(jī)器人二者結(jié)合，它能夠在復(fù)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(chǔ)，設(shè)計(jì)一款立體循環(huán)式車廂，ROS系統(tǒng)作為上位機(jī)，處理編碼器、激光雷達(dá)、深度攝像頭反饋的信息，STM32F103作為下位機(jī)接受上位機(jī)傳遞的信息，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后完成樣機(jī)的制作，并在樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

配送機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要由機(jī)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(duì)機(jī)器人的車廂結(jié)構(gòu)和自動(dòng)連接裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過自動(dòng)連接裝置連接，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多車廂的功能，將立體循環(huán)車廂與機(jī)械手結(jié)合，便于視覺識(shí)別、定位和機(jī)械手抓取，控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，分別對(duì)機(jī)器人的上位機(jī)ROS系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和下位STM32進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用深度攝像頭對(duì)物品進(jìn)行識(shí)別和定位。

2 醫(yī)用配送機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用拖車式機(jī)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(dòng)力和自主導(dǎo)航，拖車部分由模塊化的車廂構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)更換不同車廂的功能，其中針對(duì)口服藥品、食品的配送設(shè)計(jì)一款立體循環(huán)式車廂，車廂前側(cè)安裝一款5自由度機(jī)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(dòng)連接裝置連接。

2.1 立體循環(huán)車廂設(shè)計(jì)

針對(duì)醫(yī)藥用品的配送，設(shè)計(jì)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(shí)別與定位，便于機(jī)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(dòng)，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(dǎo)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(gè)小車箱運(yùn)動(dòng)到最高處停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行存儲(chǔ);該車廂的存儲(chǔ)和取物品的位置為同一位置，處于循環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最高處。設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)保證每個(gè)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(jī)器人，箱門開口朝上方便機(jī)械手存取。

2.2 連接裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)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(dòng)連接裝置有自動(dòng)連接和自動(dòng)脫落兩種狀態(tài)。自動(dòng)連接狀態(tài)，當(dāng)連接桿一端觸碰到連接槽的壓力傳感器時(shí)，控制裝置控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿連接滑塊，使滑塊向下運(yùn)動(dòng)，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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑塊向上運(yùn)動(dòng)，連接桿脫落，使拖車的車頭和車箱分離。車箱可以針對(duì)不同任務(wù)設(shè)計(jì)多種樣式車廂，通過自動(dòng)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)是由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，裝有ROS系統(tǒng)的MIniPC作為上位機(jī)處理編碼器、激光雷達(dá)、深度攝像頭反饋的信息，與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過無線路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，處理后的信息實(shí)時(shí)的傳給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)以這些信息對(duì)多臺(tái)配送機(jī)器人進(jìn)行調(diào)度。STM32F103作為下位機(jī)控制單元，由于采用牽引車和拖車的結(jié)構(gòu)，分別用三個(gè)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(jī)械臂有專用的控制器，其硬件連接如圖4所示。

激光雷達(dá)采用RPLIDARA2雷達(dá)，該設(shè)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(jī)處理。

深度攝像頭采用樂視3D體感攝像頭，型號(hào)為L(zhǎng)eTMCM-302，將獲取的信息直接發(fā)送至上位機(jī)處理，可以通過算法對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位與識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自主存取物品的控制。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(dòng)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(gè)功能包有著不同的作用，move_base包可以根據(jù)各個(gè)傳感器反饋的信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，使機(jī)器人移動(dòng)到指定位置，amcl包主要是根據(jù)已有的地圖進(jìn)行自主定位與導(dǎo)航，Cartographer包實(shí)現(xiàn)建圖功能，rviz為ROS提供了一種可視化工具等。

驅(qū)動(dòng)層有的是硬件驅(qū)動(dòng)，有的是軟件驅(qū)動(dòng)，各個(gè)驅(qū)動(dòng)包安裝在上位機(jī)，如樂視3D體感攝像頭的驅(qū)動(dòng)包ros_astra_camera安裝在上位機(jī)中。

3.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的主要作用是通過訂閱話題的通信方式，接收上位機(jī)傳來的運(yùn)動(dòng)信息，并通過增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的無級(jí)調(diào)節(jié)，并向上位機(jī)反饋當(dāng)前運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和傳感器的信息。

STM32F103作為下位機(jī)控制單元，由于采用牽引車和拖車的結(jié)構(gòu)，分別用三個(gè)STM32F103來控制，如圖6所示，分別為牽引車驅(qū)動(dòng)模塊、立體循環(huán)車廂轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、機(jī)械臂模塊。第一部分為控制牽引車，位于牽引車頭，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)二個(gè)差速驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)時(shí)控制，其中，電機(jī)帶有二進(jìn)制光電編碼器，可將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)反饋至控制單元中，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)及廂門的開合，其中，驅(qū)動(dòng)立體循環(huán)機(jī)構(gòu)的電機(jī)帶有二進(jìn)制光電編碼器，由于每個(gè)小車廂的均勻分布，通過PWM控制使小車廂到達(dá)最高處，設(shè)置有傳感器可以使循環(huán)機(jī)構(gòu)恢復(fù)初始狀態(tài)，箱門框架處設(shè)置有光電傳感器，通過光電傳感器對(duì)箱門進(jìn)行限位;第三部分機(jī)械臂有專用的控制器;第一部分與上位機(jī)MiniPC之間采用串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，第二、三部分與上位機(jī)MiniPC之間采用藍(lán)牙連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

采用分布式處理框架的ROS系統(tǒng)作為上位機(jī)，主要兩個(gè)模塊是定位導(dǎo)航和機(jī)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(jī)軟件設(shè)計(jì)如圖7所示在定位導(dǎo)航模塊，利用Cartographer功能包實(shí)現(xiàn)建圖功能[6]，在建好地圖的情況下，ROS導(dǎo)航主要需要使用到兩個(gè)功能包，一個(gè)是move_base，另一個(gè)是amcl。move_base功能包可以根據(jù)各個(gè)傳感器反饋的信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，使機(jī)器人移動(dòng)到指定位置，路徑規(guī)劃通過 move_base 功能包實(shí)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(dòng)態(tài)窗口方法 DWA（Dynamic Window Ap-proaches）計(jì)算最優(yōu)避障路徑及機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度和角速度[7]，amcl功能包主要是根據(jù)已有的地圖進(jìn)行自主定位與導(dǎo)航，它采用了自適應(yīng)蒙特卡羅定位算法[8]。

機(jī)械臂控制使用MoveIt。它屬于ROS系統(tǒng)的一部分，用于控制多關(guān)節(jié)機(jī)械臂;提供了一系列成熟的插件和工具，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制的快速配置;封裝了大量API，方便在MoveIt模塊上進(jìn)行二次開發(fā)[9、10]。主要包括碰撞檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、運(yùn)動(dòng)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(duì)URDF模型進(jìn)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(shí)的機(jī)械臂。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的醫(yī)用配送機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用鋁型材、亞克力板等材料，制作的樣機(jī)如圖9所示。

如圖10是機(jī)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(jī)器人能夠順利的躲避障礙物，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能;圖11是機(jī)械手自動(dòng)抓取過程實(shí)物展示圖?？刂屏Ⅲw循環(huán)車廂的轉(zhuǎn)動(dòng)及箱門的開合，通過樂視3D體感攝像頭的識(shí)別與定位， MoveIt控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了拖車式醫(yī)用配送機(jī)器人的車廂和自動(dòng)連接裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)立體循環(huán)車廂的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后制作出醫(yī)用配送機(jī)器人的樣機(jī)，對(duì)該樣機(jī)在室內(nèi)走廊中進(jìn)行了建圖、導(dǎo)航及避障的實(shí)驗(yàn)，以及機(jī)械手的抓取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，機(jī)器人達(dá)到室內(nèi)配送的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全程自動(dòng)化。下一步研究視覺識(shí)別，通過視覺識(shí)別，完成物品的分類。

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收稿日期：2020-09-11

基金項(xiàng)目：西安市未央?yún)^(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201914）

作者簡(jiǎn)介：任工昌（1962-），男，陜西西安人，博士，陜西科技大學(xué)教授、博導(dǎo)，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(shí)別。