藥房搬運(yùn)機(jī)器人

王旭海

【摘要】為了解決醫(yī)院藥房因取藥人群帶來的繁瑣工作，本項目主要設(shè)計一種智能藥房搬運(yùn)機(jī)器人。機(jī)器人的設(shè)計分為：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計兩個部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：輪式移動平臺和6自由度機(jī)械臂;控制系統(tǒng)主要包括：STM32F4芯片控制主板和OPENMV攝像頭。其中輪式地盤主要使機(jī)器人可以實現(xiàn)全向行走，6自由度機(jī)械臂主要實現(xiàn)對藥品的抓取，OPENMV攝像頭主要實現(xiàn)對不同藥物的識別，該控制系統(tǒng)采用C語言編程。本項目已基本實現(xiàn)藥房搬運(yùn)機(jī)器人所需的自動定位、自動識別任務(wù)、自主識別物品并搬運(yùn)的功能。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械臂;藥房搬運(yùn)搬運(yùn);OPENMV

1緒論

目前，我國各大醫(yī)院門診藥房每天都要面臨著數(shù)量龐大的取藥人群，使醫(yī)務(wù)工作者的勞動強(qiáng)度大大加強(qiáng)。因此各大醫(yī)院藥房開始引入自動化機(jī)器人取代人工來實現(xiàn)準(zhǔn)確的藥品自動分揀、搬運(yùn)和發(fā)放。機(jī)器人的出現(xiàn)不僅降低了醫(yī)務(wù)工作人員的勞動強(qiáng)度，而且在工作效率方面得到了顯著提升。特別是在2020年初抗擊新冠肺炎疫情的過程中，智能機(jī)器人替代人工為隔離人員發(fā)放藥物，在疫情的防控方面具有重要意義。

現(xiàn)階段，我國藥房搬運(yùn)機(jī)器人處于發(fā)展階段，機(jī)器人的精確性和穩(wěn)定性較差，因此沒有廣泛的投入到各大醫(yī)院的藥房。而國外研發(fā)的設(shè)備造價和后期維護(hù)費用相對比較昂貴，因此研發(fā)一種可以高效、準(zhǔn)確地完成對藥物搬運(yùn)機(jī)器人勢在必行。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1機(jī)器人的移動平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)器人移動平臺采用雙層結(jié)構(gòu)，上層平臺為藥品的存放區(qū)，支持藥品的存放，使機(jī)器人可以一次搬運(yùn)多個藥品，提高了物品的搬運(yùn)效率。為了更方便控制機(jī)器人的行使，本課題使用了麥克納姆輪。麥克納姆輪的外觀不同于普通的輪子，它的外表面帶著一定數(shù)量的從動輪，這一結(jié)構(gòu)可以使移動平臺具有8個方向的移動功能。

2.2機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)械臂所要實現(xiàn)的功能，本項目將機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計為6自由度機(jī)械臂。其中第一個自由度可以實現(xiàn)機(jī)械臂在移動動平臺上進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，第二到第五個自由度可以使機(jī)械臂實現(xiàn)不同角度的彎曲，第六個自由度可以控制機(jī)械抓手的開合，同時為了降低機(jī)械臂的成本，最終將機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用6個舵機(jī)標(biāo)組合而成。

2.3機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，將機(jī)器人的機(jī)械臂安裝在移動平臺的中間位置，使機(jī)器人在運(yùn)行過程中不會因為重心偏移而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，在移動平臺的四周安裝有4個藥品架，用于存放搬運(yùn)的藥品。最終使機(jī)器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在不同方向的行駛，而且還能夠360°無死角抓取物體。

3控制系統(tǒng)

3.1主控制器電路的設(shè)計。主控器的電路由核心控制芯片STM32F407ZGT6、電源穩(wěn)壓模塊、CH340串口模塊和外圍信號接口電路組成。該控制器采用的開發(fā)語言為為C語言，使該機(jī)器人具有運(yùn)行穩(wěn)定方便開發(fā)的特點。于此同時該控制器核心芯片具有豐富的庫函數(shù)，極大的提高了程序的開發(fā)效率。其主要功能：通過對陀螺儀和編碼器數(shù)據(jù)的采集和處理，實現(xiàn)對機(jī)器人的實時位置的計算;通過攝像頭識別藥品信息判斷是否為當(dāng)前任務(wù)所需藥品;通過對機(jī)械臂的控制實現(xiàn)對藥品的抓取;通過控制移動平臺將抓取的藥品運(yùn)送至指定窗口。

3.2 OPENMV攝像頭。OPENMV是一個開源、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，其開發(fā)語言使用python語言。并且OPENMV具有SPI，I2C，UART等通信接口，方便了與主控制器之間的信息傳輸，用戶還可以通過USB接口連接電腦，使用集成開發(fā)環(huán)境OPENMVIDE協(xié)助完成程序的編寫、調(diào)試等工作。通過使用OPENMV，不僅能夠?qū)θ∷幙蛻羲I(lǐng)取藥物二維碼信息的讀取，而且還可以對藥品條形碼的讀取，從而保證能夠?qū)蛻粜枰幤返臏?zhǔn)確分揀。

3.3程序的設(shè)計。根據(jù)機(jī)器人所要執(zhí)行的任務(wù)對機(jī)器人的程序進(jìn)行設(shè)計，首先通過OPENMV將讀取到的二維碼信息傳送道主控制器，然后根據(jù)二維碼信息信息藥品的位置，其次對機(jī)器人的行走路勁進(jìn)行規(guī)劃，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)指定位置后通過主控制器給機(jī)械臂傳送指令，對所需藥品進(jìn)行抓取并放到儲物區(qū)，最后按照規(guī)劃好的路勁回到起使位置將物品放到指定位置，機(jī)器人程序設(shè)計圖如圖3-1所示。

4試驗結(jié)果與結(jié)論

本項目根據(jù)設(shè)計方案完成了對機(jī)器人的制作，并且在模擬的醫(yī)院藥房場景中進(jìn)行了試驗。根據(jù)試驗采集到的數(shù)據(jù)分析和試驗結(jié)果表明：機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的讀取客戶的二維碼信息完成對任務(wù)的領(lǐng)取，在領(lǐng)取到任務(wù)后能夠準(zhǔn)確的到達(dá)相應(yīng)的藥品位置處完成對藥物的抓取，最后將客戶所需的藥品放到指定的取藥處。說明：智能搬運(yùn)機(jī)器人的定位精準(zhǔn)度能滿足定位要求;攝像頭識別任務(wù)碼與物品準(zhǔn)確，可以完成自主識別搬運(yùn)的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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本文由內(nèi)蒙古大學(xué)創(chuàng)業(yè)學(xué)院科研基金資助。