醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人設計

倪秉軒 袁鵬凱 張慶旭 陳學琪

摘要：為了盡可能多的減少人員的密集接觸，使醫(yī)護人員將精力投入到治療患者中去，提升醫(yī)護人員的工作效率，設計醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人。機器人以STM32為控制核心，結合機械臂、視覺識別技術等實現(xiàn)醫(yī)藥品的自動分揀與發(fā)放，可以通過數(shù)據(jù)庫連接到公眾號及小程序實時監(jiān)控其狀態(tài)，同時患者可預約掃碼排隊。能夠提升醫(yī)護人員的工作效率，節(jié)約分揀及發(fā)放醫(yī)藥品的時間，節(jié)約用戶等候取藥的時間。

關鍵詞：STM32;視覺識別;機器人

1 引言

如今，各級醫(yī)院均不同程度上存在人流量大，設備、用品及藥品品種多，需求分散，次序雜亂，效率不高的問題。為了規(guī)范醫(yī)療用品及藥品的分揀和發(fā)放，提高就醫(yī)效率，盡可能減少人員的密集接觸，減少醫(yī)護人員準備手術等工作所需要的時間，設計醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人。該機器人的使用能大大提升醫(yī)護人員的工作效率，節(jié)約分揀及發(fā)放藥物藥品的時間，節(jié)約就醫(yī)人員等候取藥的時間，提升就醫(yī)體驗。同時也適用于小型快遞網(wǎng)點、倉庫。本設計適應科技的發(fā)展，適應國家產(chǎn)業(yè)結構轉型升級，能夠協(xié)助克服生活中的難題，為生活帶來便利。

2 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)市場有關自動分揀與發(fā)放機器人的調查研究發(fā)現(xiàn)，目前國內外的機器人雖然有速度快、自動作業(yè)、降低人工成本的優(yōu)點，但由于多數(shù)用于大型的倉庫、工廠，造成其體積龐大，又因為體積龐大，要保證機器人的質量，便造成機器人成本高、投入高的問題;多數(shù)大型設備需要專業(yè)人員操控，對于普通人來說，操作機器人也是一大難題;真正投入到生活中還會存在實用性差等問題。所以市面上用于醫(yī)院藥物藥品及醫(yī)療設備的分揀機器人功能不完善，并不能滿足醫(yī)院對于藥物藥品及醫(yī)療工具分揀與發(fā)放的需求。醫(yī)院的藥房，人工操作需要醫(yī)護人員大量的時間及精力用于對患者的藥物藥品的分揀與發(fā)放，提升醫(yī)護人員工作效率、減少醫(yī)患間密切接觸，是目前醫(yī)療行業(yè)急需解決的一個問題?，F(xiàn)代科技高速發(fā)展，研究具有自動分揀與發(fā)放藥物藥品及醫(yī)療工具的醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人非常有必要。設計完成的這款機器人，從市面上造價高、體積大、操作困難、適用性差等幾個方面進行改進、優(yōu)化、提升，設計，極具智能化，使管理員和用戶可以更為方便的操作和使用。

系統(tǒng)的主要功能為：

1）運用視覺識別技術識別各種已有藥物藥品，根據(jù)指令通過機器人進行自動分析及分類，藥物藥品可以根據(jù)種類存放在相應的存儲空間或根據(jù)處方將藥物藥品發(fā)放到患者手中。

2）運用STM32控制，通過機械臂來實現(xiàn)各類藥品的自動分揀與發(fā)放。STM32是機器人的控制核心，將進行指令和信號之間的相互轉化，控制機械臂運動;機械臂是機器人的執(zhí)行部分，通過機械臂的運動達到自動分揀與發(fā)放的效果。

運用STM32控制，還可以通過機械臂來實現(xiàn)所需要的醫(yī)療用品的分揀與發(fā)放。當STM32發(fā)出分揀或發(fā)放醫(yī)療用品的指令后，機械臂會拾取醫(yī)療用品，如手術刀、紗布、剪子等。將其發(fā)放到指定位置，以方便醫(yī)護人員的管理與使用

3）系統(tǒng)還可以根據(jù)實際情況進行調整，使機器人具有不同中樞控制，用來適應不同的工作場合。

3 硬件設計與實現(xiàn)

3.1視覺識別模塊

機器人視覺對于智能機器人就相當于眼睛和人的關系一樣，為了使機器人實現(xiàn)智能化分揀發(fā)放的功能，則必須讓機器人具有感知功能，使機器人能夠“看到”周圍世界。視覺識別模塊采用Maix Bit開發(fā)板，使用了雙核 64bit RISC-V / 400MHz （雙精度FPU集成）CPU、內存為8MiB 64bit 片上 SRAM、儲存：16MiB Flash，支持 micro SDXC 拓展存儲 （最大128GB）、屏幕：2.4 寸 TFT，屏幕分辨率：320*240、攝像頭：200W 像素，0V2640 型號 M12 攝像頭、TF卡槽支持多媒體資源擴展，大容量儲存。視覺攝像頭拍攝到藥盒，通過識別分辨藥盒的顏色、形狀、字符和條形碼等來識別出藥品的種類。STM32與機械臂通信給機械臂下達指令讓其發(fā)放到指定的藥品倉庫這就實現(xiàn)了存放功能。當患者需要某種藥品時，只需手動選取或遠程手機軟件下單相應藥品，機械手會從相應倉庫中取出讓攝像頭再次識別以確保藥品正確。攝像頭識別出藥品時，屏幕上會有綠框顯示。自動化藥品分揀機器人完成的每一道程序，都帶來人力成本的下降和醫(yī)護人員工作效率的提高，減少醫(yī)患間密切接觸。通過視覺掃描技術，按照藥品的品種、藥效、重量以及發(fā)往的地點進行快速的分類，然后將貨物送到指定的貨架上或出貨站臺處。與此同時，機器人也可以在最短時間內將貨架上的藥品配送到不同的站臺向外運輸。這樣便可以極大縮短發(fā)貨時間，提高服務水平。自動分揀機器人還不止僅限于此，現(xiàn)今電商外賣平臺的發(fā)展，分揀機器人通過與手機軟件關聯(lián)，顧客遠程在家選購下單，分揀機器人接收到訂單信息去相應的倉庫里取藥品。在醫(yī)院這種小范圍建筑甚至可以做到真正無人作業(yè)，送藥到病床等工作。極大的減少了醫(yī)護人員的工作，節(jié)省了大量人力精力。擁有了視覺識別技術的機器人就能在各個行業(yè)“大展拳腳”為人們的生活帶來便利。

3.2核心控制模塊

選擇STM32的F103系列芯片，其內核使用的是ARM32位ortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。存儲器使用的是片上集成32-512KB的Flash存儲器，6-64KB的SRAM存儲器。還擁有三種低功耗模式，休眠，停止，待機模式。STM32可以給舵機輸入不同的信號，來控制其旋轉到不同的角度。舵機接收的是PWM信號，當信號進入內部電路產(chǎn)生一個偏置電壓，觸發(fā)電機通過減速齒輪帶動電位器移動，使電壓差為零時，電機停轉，從而達到伺服的效果。舵機上有三根線，分別是GND、VCC和SIG，也就是地線、電源線和信號線，其中的PWM波就是從信號線輸入給舵機的。一般來說，舵機接收的PWM信號頻率為50HZ，即周期為20ms。當高電平的脈寬在0.5ms-2.5ms之間時舵機就可以對應旋轉到不同的角度。想要輸出PWM信號就得用上TIM定時器，而基本定時器沒有PWM信號的輸出功能，所以只能選用通用定時器和高級定時器。

3.3 機械臂模塊

采用舵機動作帶動機械臂運動。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器。向伺服器發(fā)送一個控制信號時，輸出軸就可以轉到特定的位置。只要控制信號持續(xù)不變，伺服機構就會保持軸的角度位置不改變。如果控制信號發(fā)生變化，輸出軸的位置也會相應發(fā)生變化?？刂菩盘栍山邮諜C的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。使用STM32控制舵機，需要設置20ms左右的時基脈沖，脈沖的高電平部分一般使用0.5ms-2.5ms的范圍內的角度，來控制脈沖部分，總間隔為2ms。舵機轉動0°代表它的占空比是2.5%，轉動180°代表它的占空比是12.5%。設arr（自動重裝載值）為x時轉動角度所對應的值=（x+1）*（1-占空比）;將pwm極性設置為TIM_OCPolarity_High時轉動角度所對應的值=（x+1）*占空比。

機械臂采用六軸分體式設計，機械臂的抓頭部分，就是機械臂的第五軸和第六軸，采用防燒舵機和MG996舵機作為動力，整體框架由3mm的機械爪和U型鋁合金支架組成，U型鋁合金支架通過M3的螺絲固定在一起。5軸舵機直接固定在支撐板，機械抓采用舵機扣加螺絲的形式連接在五軸舵機上，而六軸舵機固定在機械爪上。在機械臂的肘部，包括第四軸，使用MG996舵機，肘部框架采用和五軸舵機同樣的U型鋁合金支架，將四軸舵機安裝在U型鋁合金支架上，來控制機械臂的肘部運動。腰部包括機械臂的第二軸和第三軸，第二軸的力臂直接和舵機相連，第三軸通過一個兩個U型鋁合金支架連接控制上方小臂的方向。底部為機械臂的一軸，采用TBSN-2701數(shù)字舵機作為動力，舵機和最后一塊底板連接在一起，上邊由兩U型鋁合金支架支撐。機械臂結構如圖1所示。

5 結論

醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人融合了視覺識別、人機交互、運算控制等模塊，可以做到對信息準確的處理，基本實現(xiàn)預想的功能?？梢怨?jié)省醫(yī)護人員的精力和減少資源上的浪費。下一步將融合更多模塊，使其可實現(xiàn)更多的功能。

參考文獻

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基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人”（項目號：202110066024）

作者簡介：倪秉軒（2001-），男，本科生，自動化（電氣技術教育方向）專業(yè)。