基于醫(yī)院智能配送機(jī)器人的自主充電控制系統(tǒng)

李斌 賴志林 王淼

一 引言

智慧醫(yī)院是醫(yī)院發(fā)展的新階段，也是近年來各大醫(yī)院轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑。隨著社會(huì)需求地快速增長，以及機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，智慧物流系統(tǒng)作為智慧醫(yī)院的重要組成部分，其智慧化程序成為衡量智慧醫(yī)院的重要指標(biāo)。

一臺(tái)機(jī)器人是否可以在室內(nèi)無人干擾的情況下不間斷工作，是衡量一臺(tái)機(jī)器自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)問題需要解決自定位、路徑規(guī)劃和目標(biāo)識(shí)別提取精準(zhǔn)對(duì)接以及國內(nèi)外采用直接接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如紅外引導(dǎo)充電需要多次調(diào)整機(jī)器人的角度才能準(zhǔn)確的找到充電站的位置造成耗費(fèi)時(shí)間長，效率低等問題。機(jī)器人自動(dòng)充電主要解決定位識(shí)別及對(duì)接方式等問題。定位識(shí)別方面，國內(nèi)外主要技術(shù)有視覺識(shí)別提取、激光特征點(diǎn)識(shí)別、RFID 識(shí)別、磁導(dǎo)航定位、紅外信號(hào)衰減及頻譜不同的方式定位、wifi 定位等。對(duì)接方式國內(nèi)外采用直接接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)或無接觸電磁感應(yīng)充電等方式。

整體技術(shù)而言，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)仍需要深入探討。同時(shí)自定位技術(shù)及算法復(fù)雜程度仍是目前研究的熱點(diǎn)，視覺及人工智能等方面新概念的引入，將會(huì)為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)帶來更新鮮的血液。

二 設(shè)計(jì)需求

（一）實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓

能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電源電壓并反饋和顯示剩余電量。

（二）自動(dòng)識(shí)別與精準(zhǔn)對(duì)接充電樁

機(jī)器人能依據(jù)激光雷達(dá)測量得到的距離信息來識(shí)別充電樁的具體位姿，然后調(diào)整機(jī)器人自身相對(duì)充電樁的位置和角度，進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接。

（三）穩(wěn)定性要求

要求自動(dòng)充電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，具有一定的容錯(cuò)能力，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（四）實(shí)時(shí)性要求

運(yùn)行過程中要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓狀態(tài)，保證充電在安全可控的情況下進(jìn)行，故需要系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性。

三 總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人能夠自主規(guī)劃軌跡運(yùn)動(dòng)，以完成實(shí)際的搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)的物流傳送（如藥品，檢驗(yàn)樣品、餐食、手術(shù)器包、衣物、污物等），載重量設(shè)計(jì)為 200KG，可以為多名病人傳送貨物，并設(shè)置了生物識(shí)別（指紋、人臉）等安全性保證措施，由專有人員才可以打開。其自主導(dǎo)航為激光導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑，實(shí)時(shí)避障。通過無線模塊可實(shí)現(xiàn)與電梯及電動(dòng)門通信，完成上下電梯及過門等跨樓層工作。

醫(yī)院智能搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括：人機(jī)交互模塊、主控模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線通信模塊、導(dǎo)航及定位模塊、電源及充電模塊、避障模塊等。

電源及充電模塊是整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力的來源，為各個(gè)模塊提供能量。在設(shè)計(jì)過程中，由于各個(gè)模塊對(duì)電源電壓的要求不一致，因此需要把電源分為不同的等級(jí)來對(duì)系統(tǒng)供電，從而滿足不同模塊的需求。為了電池可以長時(shí)間使用，避免過度放電損傷電池，需要加上電壓監(jiān)測電路，用來監(jiān)測電池電壓，保證電池電壓在基準(zhǔn)值之上。其總體框架如圖2所示，主要包括：無線控制繼電器、控制繼電器、電壓分壓模塊、電源充電模塊、電壓檢測模塊等。

四 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人需求在電壓低于某值時(shí)，觸發(fā)機(jī)器人充電，因此需要配套電壓監(jiān)測模塊，機(jī)器人在未入充電站時(shí)充電站需要處于無電狀態(tài)，上充電站時(shí)需要有觸發(fā)使得充電站供電，左下端電壓檢測模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人電池電壓，圖3為自主充電配套機(jī)械結(jié)構(gòu)，圖4為PC控制模塊，可以控制其自身的繼電器吸合中間無線控制繼電器的控制開關(guān)，而無線繼電器則放入充電站內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人本體通過控制繼電器吸合無線繼電器開關(guān)時(shí)，繼電器吸合，通過右端的電源充電模塊為充電站內(nèi)部銅片供電，機(jī)器人本體通過對(duì)接結(jié)構(gòu)的充電探針與銅片接觸，完成充電過程。通過串口編輯自動(dòng)充電檢測節(jié)點(diǎn)，其模塊連接圖如圖四所示，實(shí)際中將模塊電壓檢測端連接于機(jī)器人充電電池端，通過實(shí)際電壓表測量可以測得充電后電池電壓逐步提升，可直接監(jiān)測其電壓。

電壓檢測摸塊可檢測 0-30V 直流電壓，控制繼電器供電電壓為5V即可，這兩部分電器元器件與無線控制繼電器發(fā)射端將安裝于機(jī)器人本體內(nèi)。

通過串口編輯自動(dòng)充電檢測節(jié)點(diǎn)，其模塊連接圖如圖4所示，實(shí)際中將模塊電壓檢測端連接于機(jī)器人充電電池端，通過實(shí)際電壓表測量可以測得充電后電池電壓逐步提升，可直接監(jiān)測其電壓。

五 軟件設(shè)計(jì)

充電策略流程為；機(jī)器人本體在接到自充電信息后到指定導(dǎo)航位置以及接收激光數(shù)據(jù)探測到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在對(duì)激光數(shù)據(jù)穩(wěn)定多次提取、均值及中值濾波后的基礎(chǔ)上，計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)，將機(jī)器人本體坐標(biāo)變換為航向角及坐標(biāo)點(diǎn)，判斷充電站位姿；先朝著橫向移動(dòng)到已經(jīng)鋪好的磁條，再調(diào)整方向沿著縱向移動(dòng)，通過激光重新定位，如果橫向誤差仍大于某設(shè)定權(quán)值，則重復(fù)之前動(dòng)作，當(dāng)橫向誤差小于設(shè)定權(quán)值后，則調(diào)整機(jī)器人自身角度，角度小于設(shè)定權(quán)值后，然后控制電機(jī)速度、角速度，不斷匹配機(jī)器人自身位置，完成定位，逐步使其行駛進(jìn)充電站，機(jī)器人駛?cè)氤潆娬緺顟B(tài)。最后通過無線觸發(fā)模塊，觸發(fā)充電。如果充電不成功，則退回一米處，重新運(yùn)行程序，再對(duì)接。

由于機(jī)器人與充電站之間有角度誤差和橫向誤差，故需要機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可橫向彌補(bǔ)和角度彌補(bǔ)的能力，具體為以下幾點(diǎn)：

1、對(duì)接方塊在旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)不能與支架產(chǎn)生干涉；

2、探針接觸點(diǎn)的距離及對(duì)接方塊在最大旋轉(zhuǎn)角度時(shí)需要確保機(jī)器人對(duì)接成功率，充電站需有充足的接觸距離；

3、整體尺寸需要適合安裝在現(xiàn)有平臺(tái)上，同時(shí)不影響激光采集。

六 結(jié)果分析

為了檢測自動(dòng)充電軟硬件可行性，故專門設(shè)定相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示，機(jī)器人分別從各個(gè)區(qū)域接收調(diào)度系統(tǒng)的充電命令后，自動(dòng)進(jìn)入充電區(qū)，20組實(shí)驗(yàn)，成功20次，且誤差距離小于6mm，自動(dòng)充電率100%，圖5圖6分別為現(xiàn)場實(shí)施圖。

結(jié)合機(jī)器人在廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院的實(shí)際運(yùn)用情況，如表2所示，選取從2019年03月01日開始，至2020年10月28日的運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)器人總運(yùn)行607天，年使用率為98.36%，總里程數(shù)達(dá)3093110.51m，總充電次數(shù)為2707次，故障3次，充電成功率為99.90%。

七 結(jié)語

本文提出了醫(yī)院配送機(jī)器人自主充電系統(tǒng)，通過實(shí)踐與實(shí)測的高成功率可以得出該系統(tǒng)具有較高的可行性，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：尋找充電站耗時(shí)少，效率高；設(shè)計(jì)自動(dòng)充電軟件及機(jī)械配套結(jié)構(gòu)，使現(xiàn)有平臺(tái)可以以較高成功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電；通過激光來完成特征點(diǎn)提取的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)對(duì)接技術(shù)。