基于PLC+4G的病案庫房遠(yuǎn)程巡查機(jī)器人研發(fā)

摘 要：研發(fā)一款遠(yuǎn)程視頻巡查庫房中病案霉變痕跡、蟲害痕跡及庫房滲水痕跡的機(jī)器人。機(jī)器人采用四輪行走形式，2個后輪由2臺步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動。機(jī)器人上安裝垂直升降絲桿，其滑塊上安裝水平伸縮絲桿，一臺筒形病案檢查攝像機(jī)安裝在水平絲桿滑塊上，2根絲桿均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，另有2臺360°球形攝像機(jī)保證機(jī)器人行走無盲區(qū)。設(shè)計(jì)用戶手機(jī)端HMI，點(diǎn)擊HMI上按鈕，通過物聯(lián)網(wǎng)-4G-4G網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)鏈向機(jī)器人上的PLC發(fā)出指令，控制機(jī)器人把病案檢查攝像機(jī)移動到檢查位置。3臺攝像機(jī)視頻通過另一條4G-物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈傳到用戶電腦屏幕顯示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及信號傳輸數(shù)據(jù)鏈切實(shí)可行，可在電腦上遠(yuǎn)程視頻察看庫房病案存儲狀況，確保病案安全。

關(guān)鍵詞：病案安全；PLC；機(jī)器人；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)鏈

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0023-04

Abstract： A robot for remote inspection of medical records in a warehouse for signs of mold， insect infestation， and water seepage is developed. The robot adopts the form of four-wheel walking， and the two rear wheels are driven by two stepper motors respectively. A vertical lifting screw is installed on the robot， a horizontal telescopic screw is installed on the slider， a barrel-shaped medical record examination camera is installed on the horizontal screw slider， and both screws are driven by stepper motors. another two 360° spherical cameras ensure that the robot walks without blind areas. This paper designs the HMI of the user's mobile phone， and one needs to click the button on the HMI， send instructions to the PLC on the robot through the data link of the Internet of things-4G-4G gateway， and control the robot to move the medical record inspection camera to the inspection position. The videos of the three cameras are transmitted to the user's computer screen through another 4G-Internet of things data link. The experimental results show that the remote control system and signal transmission data chain are feasible， and the storage status of medical records can be viewed remotely on the computer to ensure the safety of medical records.

Keywords： medical record security; PLC; robot; Internet of things; data link

目前病案有2種形式：紙質(zhì)病案、無紙化電子病案。多數(shù)醫(yī)院是2種病案形式并存，即使紙質(zhì)病案掃描數(shù)字化后，也保留紙質(zhì)病案[1]。依據(jù)《醫(yī)療機(jī)構(gòu)病歷管理規(guī)定》要求，醫(yī)院必須保留患者病案30年。一個綜合三甲醫(yī)院，年住院病人超過10萬人次，積累病案數(shù)量龐大，院區(qū)難有足夠庫房，所以常把病案異地存儲或者外包給第三方公司存儲，醫(yī)院需定期派人去庫房檢查病案是否霉變及蟲害侵襲，或者庫房是否出現(xiàn)滲水等有害事件，病案存儲管理技術(shù)措施有待提高。因此本文擬研發(fā)一款遠(yuǎn)程視頻巡查病案庫房機(jī)器人，可以在醫(yī)院辦公室電腦遠(yuǎn)程視頻察看庫房內(nèi)病案存儲完好狀況及庫房狀況。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制及信號傳輸系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

目前工業(yè)巡查機(jī)器人品種較多，可用于水下作業(yè)[2-3]、管道內(nèi)作業(yè)[4]、高空作業(yè)[5]及庫房巡查[6]等，機(jī)械結(jié)構(gòu)[7]與控制方式[8]因使用場合不同而存在差異。根據(jù)病案庫房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要任務(wù)是視頻巡查病案霉變痕跡、蟲害痕跡，以及庫房地板、墻壁、天花板滲水痕跡，采用機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)器人采用四輪行走結(jié)構(gòu)，2個后輪分別由單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動，2個后輪轉(zhuǎn)速相同，可實(shí)現(xiàn)直行前進(jìn)或后退；2個后輪轉(zhuǎn)速不同，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向移動。4G球形攝像機(jī)7與8可360°轉(zhuǎn)動，保證行走無盲區(qū)及拍攝到地板、天花板及墻壁面。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的垂直升降絲桿套件9安裝在機(jī)器人底板上。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的水平伸縮絲桿套件6安裝在升降絲桿的滑塊上，跟隨升降絲桿上升或下降。4G筒形病案攝像機(jī)11安裝在水平絲桿的滑塊上，隨水平絲桿的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)伸出或后縮。照明燈10安裝在攝像機(jī)旁邊，照射到病案上讓視頻更清晰。絲桿滑塊移動到端部位置或者機(jī)器人接近障礙物，會觸發(fā)限位傳感器2。4臺步進(jìn)電機(jī)分別由4個驅(qū)動器12驅(qū)動，電池5提供電力，4G無線網(wǎng)關(guān)4及可編程序控制器PLC 3安裝在底板上。

1.2 控制及信號傳輸系統(tǒng)

機(jī)器人遠(yuǎn)程控制及信號傳輸系統(tǒng)如圖2所示，特點(diǎn)是有2條信號數(shù)據(jù)鏈：3臺攝像機(jī)視頻信號通過“4G-攝像機(jī)云平臺-物聯(lián)網(wǎng)”數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入用戶電腦屏幕播放，攝像機(jī)7與8是360°全景攝像機(jī)，其鏡頭方向在電腦端設(shè)定，通過這條數(shù)據(jù)鏈直接向攝像機(jī)發(fā)送鏡頭轉(zhuǎn)向指令；機(jī)器人控制信號則是從用戶手機(jī)發(fā)出，通過另一條“4G或物聯(lián)網(wǎng)-網(wǎng)關(guān)云平臺-4G-4G網(wǎng)關(guān)”數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入PLC，控制機(jī)器人完成各種操作，同時機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)也通過這條數(shù)據(jù)鏈反饋到手機(jī)。上述2條數(shù)據(jù)鏈雙向傳輸信號。電腦屏幕主要負(fù)責(zé)視頻顯示，手機(jī)屏幕主要負(fù)責(zé)機(jī)器人控制，這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是電腦屏幕大，可以清晰察看病案霉變痕跡、蟲害痕跡以及庫房地板、墻壁、天花板滲水痕跡等庫房狀況。

PLC是控制系統(tǒng)的核心，PLC依據(jù)程序及用戶指令將控制信號輸入4臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走控制以及病案攝像機(jī)的升降與左右伸縮，把攝像機(jī)移動到需要的位置。12個限位傳感器與PLC的輸入端相連，觸發(fā)限位傳感器會激發(fā)PLC啟動保護(hù)程序，防止機(jī)器人超限運(yùn)動從而保證作業(yè)安全。

2 控制及信號傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)顯然是可行的，但是PLC控制程序、手機(jī)上的人機(jī)界面HMI涉及的部件多，控制信號及視頻信號傳輸數(shù)據(jù)鏈牽涉到第三方物聯(lián)網(wǎng)及云平臺，所以需要在實(shí)驗(yàn)室建立控制與信號傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)并測試，以檢驗(yàn)控制程序的可靠性、信號傳輸?shù)臅稠樞浴?/p>

控制與信號試驗(yàn)系統(tǒng)主要硬件是：①某型號PLC，16路開關(guān)量輸入，16路晶體管輸出，485/R232通信接口；②某型號4G無線網(wǎng)關(guān)，兼有WAN/LAN口，其485/ R232通信接口具有與PLC交換數(shù)據(jù)功能；③2臺機(jī)器人行走步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)型號是42BYGHxxxx，驅(qū)動器型號是TB6xxx；④2套包含步進(jìn)電機(jī)的雙光軸滾珠絲桿，長度為600 mm，型號GGPxx，一套垂直安裝，一套水平安裝，步進(jìn)電機(jī)型號是57HSxxxx，驅(qū)動器型號是DM5xx；⑤3臺某廠商網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其中2臺為360°全景攝像；⑥一個24 V DC開關(guān)電源及12個電容式限位傳感器。PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、限位傳感器的典型連接如圖3所示。PLC與4G網(wǎng)關(guān)的連接采用串口RS232，對4G網(wǎng)關(guān)及PLC均設(shè)置串口通信波特率為9 600 bps，即可實(shí)現(xiàn)PLC與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)交換。

3 PLC控制程序及HMI的編寫

PLC程序以梯形圖形式編制，使用脈沖輸出命令PLSY輸出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖。機(jī)器人前進(jìn)右轉(zhuǎn)的控制程序如圖4所示，Y0信號驅(qū)動右后輪，Y1信號驅(qū)動左后輪，左后輪轉(zhuǎn)速是右后輪四倍，實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向。病案攝像機(jī)上下自動掃描控制程序如圖5所示，Y3信號驅(qū)動垂直絲桿步進(jìn)電機(jī)，X12、X13分別是垂直絲桿上端、下端限位傳感器，觸發(fā)X12、X13就會使步進(jìn)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)自動上下掃描病案。圖4與圖5中的其他符號說明如下：Y10、Y11及Y13是步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動使能信號，M0、M1、M5、M10、M60及M61對應(yīng)用戶手機(jī)HMI上的操作按鈕（圖6），其他M繼電器是輔助繼電器。

人機(jī)界面HMI是用戶與機(jī)器人交流的操作平臺，共有2個：一個是用戶電腦屏幕HMI，負(fù)責(zé)顯示病案察看視頻、庫房狀況視頻、機(jī)器人周邊視頻及操控?cái)z像機(jī)7與8的鏡頭方向，另一個是用戶手機(jī)HMI，負(fù)責(zé)操控機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及病案攝像機(jī)11的升降、左右伸縮，這2個HMI都是在硬件廠商提供的框架軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)編寫。手機(jī)HMI如圖6所示，包含一系列按鈕及機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)指示燈；通過編制手機(jī)小程序建立HMI與4G網(wǎng)關(guān)的通信，從而實(shí)現(xiàn)HMI按鈕指令可以上傳到機(jī)器人上的PLC，進(jìn)而控制機(jī)器人運(yùn)動及病案攝像機(jī)運(yùn)動；同時機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)也可以反饋到手機(jī)HMI。電腦屏幕HMI視頻播放分區(qū)如圖7所示，每個區(qū)域播放一臺攝像機(jī)視頻，預(yù)留一個小區(qū)備用，各個分區(qū)的視頻可以根據(jù)需要調(diào)換，例如，如果要觀察病案完好狀況，就把病案攝像機(jī)視頻調(diào)到大區(qū)域播放以方便察看。

4 試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)器人運(yùn)動控制方面，打開手機(jī)上的小程序，調(diào)出手機(jī)HMI控制臺，如圖6所示，按壓自動掃瞄按鈕，垂直絲桿滑塊可以上下循環(huán)運(yùn)動，觸發(fā)升降方向切換的是垂直絲桿上、下端限位傳感器信號。按壓自動直行按鈕，機(jī)器人2個后輪同時、同轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，觸發(fā)轉(zhuǎn)動方向切換的是機(jī)器人底板前、后限位傳感器信號。這個試驗(yàn)結(jié)果表明病案攝像機(jī)可以自動掃描堆放在置物架上的病案。按壓右轉(zhuǎn)前進(jìn)按鈕，左驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速就是右輪的4倍，可實(shí)現(xiàn)向右前方轉(zhuǎn)向。委托不同人員操作測試，隨機(jī)按壓HMI上面的按鈕，步進(jìn)電機(jī)的反應(yīng)與控制臺的標(biāo)注一致，手機(jī)HMI與PLC控制程序之間存在唯一對應(yīng)關(guān)系，機(jī)器人按規(guī)定的指令工作，不存在按鈕之間的沖突現(xiàn)象，限位傳感器起到限位作用，控制信息傳輸穩(wěn)定。視頻查看方面，憑賬號登陸電腦HMI，即可以看到3個攝像機(jī)實(shí)時視頻，如圖7所示，視頻傳輸清晰、視頻滯后不明顯。

5 結(jié)束語

通過試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)、4G+云平臺+物聯(lián)網(wǎng)信號傳輸數(shù)據(jù)鏈、PLC控制程序、HMI等設(shè)計(jì)正確，而機(jī)械構(gòu)造所需的部件，其制造技術(shù)已很成熟，因而病案庫房遠(yuǎn)程視頻巡查機(jī)器人技術(shù)上可行，可在辦公室遠(yuǎn)程查看庫房中病案存儲狀況，提高了病案庫房管理技術(shù)水平。目前的研發(fā)工作強(qiáng)調(diào)電腦屏幕負(fù)責(zé)顯示3個攝像機(jī)視頻，手機(jī)負(fù)責(zé)控制機(jī)器人運(yùn)動。事實(shí)上，在電腦上也可以同時控制機(jī)器人運(yùn)動、手機(jī)也可以顯示視頻，但視頻顯示面積偏小，不利于觀察病案狀況，今后可深入探討此問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉維，盧璟霖，楊栩超.目前我國病案存儲模式現(xiàn)狀分析[J].中國病案，2021，22（5）：5-7.

[2] 盧文，何佳兵.水下監(jiān)測與清污機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（20）：78-81.

[3] 管朝鵬，吳東棟，桂亮.安全殼內(nèi)置換料水箱檢查機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].核動力工程，2023，44（4）：209-213.

[4] 蒲小虎，杜青，王小東.水下管道巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2022，19（21）：76-78.

[5] 杜裕，王賢彬，徐達(dá)梁，等.風(fēng)電葉片視頻檢查機(jī)器人的研制[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020，56（12）：16-19.

[6] 曹巍，周治宇，劉輝，等.智能巡檢機(jī)器人在地鐵檢修庫內(nèi)的可行性應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（23）：54-57.

[7] 藍(lán)宇，陳熹，徐忠陽，等.一種履足復(fù)合式六足機(jī)器人：ZL20232

1193126.6[P].2023-10-27.

[8] 晏華成，宋國翠，蔡文鑫.基于RFID和磁導(dǎo)航的AGV小車S7-1200PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2024，14（6）：34-37.