基于Arduino 的智能醫(yī)用清運裝置設(shè)計

牛博宇 ，高強 ，宋佳妮 ，王碩 ，張恩富 ，胡彬

（1.沈陽工程學(xué)院機械學(xué)院，遼寧沈陽，110136；2.遼寧龍源新能源發(fā)展有限公司法庫分公司，遼寧沈陽，110000）

0 引言

全球醫(yī)院物流現(xiàn)狀中，歐美醫(yī)院的院內(nèi)物流體系相對完善，且國外學(xué)者對這一領(lǐng)域的研究較為深入并積累了大量經(jīng)驗。如荷蘭的Orbis 醫(yī)療中心引入Swisslog 公司生產(chǎn)的AGV 系統(tǒng)，提高了物流運輸?shù)男?；美國舊金山醫(yī)院使用AETHON 公司生產(chǎn)的醫(yī)用物流機器人 TUG 作為醫(yī)院物流環(huán)節(jié)的搬運機器人，可以運輸一些醫(yī)生所需的物資，同時也可作為醫(yī)療垃圾廢物的垃圾桶和搬運設(shè)備。[1]而目前我國使用物流機器人的醫(yī)院主要集中于華東地區(qū)、華北地區(qū)以及華南地區(qū)，其中大多數(shù)為綜合醫(yī)院（占比70%），另外一部分為?？漆t(yī)院（占比30%），在應(yīng)用的物流機器人品牌中，國產(chǎn)機器人占大多數(shù)，占比為66.7%。我國的醫(yī)院物流建設(shè)相較于發(fā)達(dá)國家，仍然相對滯后，有必要將AGV 技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)各醫(yī)院物流領(lǐng)域，因此本文將基于AGV 技術(shù)設(shè)計一種新型醫(yī)療垃圾清運裝置。

1 總體方案設(shè)計

本文設(shè)計了一種智能清運裝置，其主要目的是代替人工轉(zhuǎn)運以降低轉(zhuǎn)運途中的感染風(fēng)險。該設(shè)計采用AGV 技術(shù)，采用Arduino 主控板進行裝置控制，其具有多種接口能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，且系統(tǒng)不但開源而且使用簡單方便運用灰度傳感器布置機器人的行進路線，使用顏色傳感器對搬運物體進行識別與定位，運用剪叉式升降機構(gòu)進行搬運作業(yè)。行動機構(gòu)使用麥克納姆輪，實現(xiàn)在狹小空間內(nèi)的全方位移動。

■1.1 機械系統(tǒng)

1.1.1 移動系統(tǒng)

據(jù)前文中對于移動環(huán)節(jié)提出的要求，根據(jù)實際的場地條件以及其他實際情況，綜合以下的車輪類型確定移動方案。

如表1 所示各類型車輪特點，結(jié)合醫(yī)院通道的實際情況選擇麥克納姆輪如圖1 所示，可實現(xiàn)設(shè)備橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)、前向等所需運動方式，適用狹小的室內(nèi)空間，且運行穩(wěn)定，保證清運裝置的運動效率。

圖1 麥克納姆輪

表1 車輪類型方案表

麥克納姆輪輥子上的偏置角α=±45°，所以麥克納姆輪存在著左旋與右旋兩種情況，因此要實現(xiàn)清運裝置的全方位移動，麥克納姆輪有O_ 長方形、O_ 正方形、X_ 長方形和X_ 正方形四種安裝情況，其中O和X 表示的是麥克納姆輪四輪與地面接觸時所形成的不同投影形狀，正方形與長方形代表著輪子與地面的接觸點所形成的圖像。關(guān)于麥克納姆輪的安裝方式及受力分析如圖2 所示，通過比較以上四種安裝方式的特點，最終選取O_長方形為麥克納姆輪的安裝方式，各方式的特點如表2 所示。

圖2 麥克納姆輪安裝方式的受力分析

表2 安裝方式及特點

1.1.2 舉升系統(tǒng)

剪叉式舉升機構(gòu)通過滾珠絲杠傳動，使得活動端前移而改變兩桿之間夾角，從而使得舉升平臺上升。

為方便分析和設(shè)計機構(gòu)細(xì)節(jié)，本文將機構(gòu)簡化為一曲臂連桿機構(gòu)，原機構(gòu)的兩個連桿由連桿A、B 表示，驅(qū)動部件統(tǒng)一由滑塊C 表示。

傳動性能的計算，如圖3 所示以連桿A 長度為半徑，旋轉(zhuǎn)中心為圓心畫圓，過旋轉(zhuǎn)中心做滑道方向的垂線與圓相交與點a，以a 為圓心連桿長為半徑做圓弧交滑道與點b，連接ab，發(fā)現(xiàn)ad 在同一條直線上，可知此機構(gòu)的壓力角為零。

圖3 機構(gòu)壓力角

運用瞬心法求解桿A 的角速度ωa，如圖4 所示將瞬心PAD、PAB、PCB以及瞬心PCD所在直線，連接PAD、PAB、PCD與和PCB連線的延長線，交點即為PAC，假設(shè)滑塊c 運動的速度為Vc則根據(jù)公式可以求解桿A 旋轉(zhuǎn)的角速度

圖4 機構(gòu)瞬心

經(jīng)計算可知這一機構(gòu)的壓力角較小，有著優(yōu)秀的傳動效率，并且舉升穩(wěn)定，且通過絲杠與步進電機的配合，可以完成相對精確的舉升定位。

2 控制系統(tǒng)

■2.1 Arduino 主控板

本設(shè)備所需的控制邏輯比較復(fù)雜，需要接收多個傳感器同時發(fā)出的數(shù)據(jù)，對其進行計算，并進行快速判斷，與此同時，還要兼顧控制兩個電機驅(qū)動模塊共計四個減速電機的轉(zhuǎn)動，對于控制板的處理能力有著很高的要求，從系統(tǒng)運行效率，制作成本以及編程難度考慮，最終決定選擇Arduino控制板作為整個系統(tǒng)的控制模塊[2]。

Arduino 主控板分多版本，如Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad，滿足性能要求情況下為控制成本，本文采用的Arduino Uno 主控板，采用 AVR 單片機ATmega328P 作為主控制器[3]，集成開發(fā)環(huán)境為 Arduino IDE 其主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 Arduino Uno的主要參數(shù)

Arduino 主控板是整體裝置的核心模塊，負(fù)責(zé)接收顏色傳感器所收到的控制數(shù)據(jù)并加以處理，判斷并控制移動系統(tǒng)和舉升系統(tǒng)做出正確動作，與此同時，還需控制穩(wěn)壓模塊，使其為整體裝置提供正常工作所需要的能量，總體框架如圖5 所示[4]。

■2.2 顏色傳感器

清運裝置的循跡與定位采用顏色傳感器，其由發(fā)光與接收兩單元組成，發(fā)光單元的作用是將光線照射在地面上，造成反射以供接收單元檢測，接收單元接收反射回來的光線并測量其光照強度，地面鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線與白色地面使反射光的光照強度產(chǎn)生差異，輸出電壓不同，Arduino 控制板采集電壓變化情況分析出機器人位置[4]。運用顏色傳感器結(jié)合地邊鋪設(shè)的黑色交叉引線進行定位判斷，通過小車四周的灰顏色傳感器實時采集路面的信息，以便于計算小車的偏移量，同時在循跡行駛的前提下不斷計算交叉點，結(jié)合行駛方向不斷修正，從而完成目標(biāo)定位，傳感器原理圖如圖6 所示。

圖6 顏色傳感器

■2.3 電機驅(qū)動模塊

本設(shè)備運用的電機驅(qū)動模塊為L298N 模塊，該模塊是意法半導(dǎo)體集團旗下量產(chǎn)的一種電機驅(qū)動芯片，擁有工作電壓高、輸出電流大、驅(qū)動能力強、發(fā)熱量低、抗干擾能力強等特點，通常用來驅(qū)動繼電器、螺線管、電磁閥、直流電機以及步進電機，其最大工作電流可達(dá)46V，持續(xù)工作電流為2A 可達(dá)到設(shè)備的工作要求[6]。電機驅(qū)動模塊原理圖如圖7 所示。

圖7 驅(qū)動原理圖

引腳介紹：

（1）IN1&IN2 引腳：電機驅(qū)動A 的輸入引腳，控制電機A 的轉(zhuǎn)動。當(dāng)IN1 高電平IN2 低電平時，電機A 正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN1低電平IN2 高電平時，電機A 反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1，IN2 同時高電平或低電平時，電機A停止工作。

（2）IN3&IN4 引腳：電機驅(qū)動B 輸入引腳，控制電機B 的轉(zhuǎn)動，控制原理與 IN1&IN2 引腳相同

（3）OUT1&OUT2：電機驅(qū)動A 的輸出引腳，與電機A 的A+、A-相連。

（4）OUT3&OUT4：電機驅(qū)動B 的輸出引腳， 與電機B 的B+、B-相連。

■2.4 電源穩(wěn)壓模塊

本裝置運用LM2569S 降壓電源模塊進行電源穩(wěn)壓，該模塊采用開關(guān)電源穩(wěn)壓 IC-LM2596 制作的數(shù)顯大電流可調(diào)穩(wěn)壓電源[7]，能夠以出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)來驅(qū)動3A 負(fù)載。LM2576SX-5.0/NOPB 提供3.3V，5V，12V，15V 的固定輸出電壓，以及可調(diào)輸出版本。將 12V 的電壓降為5V 的電壓，再連接Arduino 控制板，提供穩(wěn)定的5V 電壓。

■2.5 移動控制

如圖8 所示為移動控制部分的原理圖，本設(shè)備由5V 直流電源提供能源，Arduino 主控板的JO1 和JO0 與TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）和RXD（接收數(shù)據(jù)）端相連，同時安裝有兩個LED燈，

圖8 移動控制電路

實時反應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸情況。晶振3213 是內(nèi)部心臟，所有的移動控制的執(zhí)行命令都依賴它，它提供的時鐘頻率越高，運算速度就會隨之越快。

■ 2.6 舉升控制

如圖9 所示，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置之后，電機開始轉(zhuǎn)動，同時顏色傳感器檢測升降裝置上升高度，當(dāng)升降至指定位置時，顏色傳感器檢測到舉升設(shè)備，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制板，再由控制板發(fā)出控制信號，控制電機停止轉(zhuǎn)動。與此同時，我們添加了USB 轉(zhuǎn)接芯片，可以通過電腦進行舉升控制。

圖9 舉升控制電路

■2.7 控制算法

運用灰度傳感器結(jié)合地邊鋪設(shè)的黑色交叉引線進行定位判斷，通過小車四周的灰度傳感器實時采集路面的灰度信息，以便于計算小車的偏移量，同時在循跡行駛的前提下不斷計算交叉點，結(jié)合行駛方向不斷修正，從而完成目標(biāo)定位。

當(dāng)通過灰度傳感器獲得了小車相對于引導(dǎo)線的偏移量 與偏移量 ，偏移角度 ，車身的長寬分別為 和 。

因此可列出如下公式：

由式(1)可得：

其中Kp1，Kp2,Ki1,Ki2,Kd1,Kd2為光電傳感器測量所得參數(shù)，算法根據(jù)參數(shù)變化修正，使得裝置按照引導(dǎo)線行駛。

該循跡算法相較于普通算法區(qū)別在于將旋轉(zhuǎn)量α的引入，普通的循跡算法，小車進行車身的調(diào)整與修正，需要經(jīng)過一段時間的行駛，而對于應(yīng)用麥克納姆輪的小車來說，可通過車頭與車尾的平均偏移量，旋轉(zhuǎn)控制從而使車身與引導(dǎo)線平行，通過這兩個量進行反饋控制，可實現(xiàn)車身姿態(tài)的快速調(diào)整。

3 程序設(shè)計

■3.1 主程序設(shè)計

本設(shè)備使用c 語言進行編程，并采用模塊化設(shè)計，方便應(yīng)對各種不同類型的實際情況都可以以最快的速度進行調(diào)試，主程序流程圖如圖10 所示，開機之后進行初始化設(shè)置并開始行走，在循跡模塊的控制下達(dá)到指定位置，到達(dá)指定位置后，啟動舉升模塊，將指定位置的垃圾舉起并開始返回程序，按照到達(dá)的行駛路線，原路返回至指定位置。

圖10 主程序流程圖

■ 3.2 循跡程序

圖11 為循跡程序流程圖，開機之后首先進行相關(guān)端口的初始化以及對于控制模塊的數(shù)據(jù)讀取，通過顏色傳感器讀取數(shù)據(jù)，使裝置判斷自身位置并執(zhí)行行駛命令，當(dāng)判斷至直行位置時，電機同時轉(zhuǎn)動并保持直行，當(dāng)檢測至應(yīng)左平移時或右平移時，根據(jù)麥克納姆輪的特性，使得電機驅(qū)動輸出不同的高低電平，促使裝置發(fā)生平移，具體輸出情況如表4所示。

圖11 程序流程圖

表4 引腳高低電平

■3.3 舉升程序設(shè)計

在執(zhí)行移動指令之后，系統(tǒng)將繼續(xù)檢測控制數(shù)據(jù)，直至裝置到達(dá)指定位置，之后舉升系統(tǒng)啟動，并檢測通過距離傳感器檢測是否到達(dá)指定舉升高度，在到達(dá)指定高度之后，執(zhí)行返回程序，將醫(yī)療垃圾搬運至指定位置，具體的流程圖如圖12 所示。

圖12 舉升系統(tǒng)流程圖

4 設(shè)備驗證

如圖13 所示，本裝置進行調(diào)試以驗證其可行性，在地面上鋪設(shè)黑色網(wǎng)格線布置場地，并設(shè)置貨架以模擬醫(yī)院中醫(yī)療垃圾的存放地點，從初始位置出發(fā)，裝置穩(wěn)定行駛至指定地點并完成了舉升動作，以及搬運之后的返回程序，滿足了制定的預(yù)期目標(biāo)，可以完成醫(yī)療垃圾搬運工作。

圖13 可行性分析

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種運用剪叉式升降機構(gòu)及麥克納姆輪作為移動系統(tǒng)的醫(yī)療清運裝置，論述了升降機構(gòu)的運動參數(shù)，以及移動部分的選取和控制系統(tǒng)。經(jīng)過測試可知該小車的麥克納姆輪循跡算法可以快速修正車身偏移，且大偏離時不產(chǎn)生搖擺，運行穩(wěn)定；通過地面格網(wǎng)循跡的室內(nèi)定位算法實現(xiàn)定位準(zhǔn)確，較容易實現(xiàn)應(yīng)用；升降系統(tǒng)穩(wěn)定，可平穩(wěn)運行，完成既定的醫(yī)療垃圾搬運工作。