智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘" 要：針對(duì)藥品運(yùn)輸工作量大、效率低下、傳染病區(qū)域存在交叉感染等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一款由無(wú)線通信模塊、紅外避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、承載模塊于一體的藥品運(yùn)輸機(jī)器人。通過(guò)尋跡算法結(jié)合各傳感器模塊與中央控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了提前規(guī)劃好的運(yùn)輸路線將藥品準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)確運(yùn)輸，并及時(shí)提醒病人取藥。使藥品運(yùn)輸效率得到了保障，減少了工作負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步保證了醫(yī)療工作的高效和安全，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：藥品運(yùn)輸；機(jī)器人設(shè)計(jì)；控制模塊

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）23-0194-05

Design of Intelligent Drug Transportation Robot

LI Jianchao， WANG Xuejun， SUN Changyong， HUANG Rong， ZHAI Xiaorui， ZHANG Xu

（School of Mechanical Engineering， Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： Aiming at the problems such as the large workload， low efficiency and the existence of cross-infection in infectious disease areas of drug transportation， a drug transportation robot integrating wireless communication module， infrared obstacle avoidance module， motor drive module， control module and bearing module is developed. Through the comprehensive application of the tracking algorithm combined with each sensor module and the central control system， the pre-planned transportation route is realized to transport the drug on time and accurately， and the patients are reminded to take the medicine in time. It guarantees the efficiency of drug transportation， reduces the work burden， and further ensures the efficiency and safety of medical work， which has great potential for development.

Keywords： drug transportation; robot design; control module

0" 引" 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)工作效率的要求不斷提高。藥品運(yùn)輸工作作為醫(yī)療行業(yè)最基本也是最重要的工作之一，直接影響了醫(yī)療場(chǎng)所的工作效率，且在傳染病區(qū)域運(yùn)輸藥品有嚴(yán)重的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危機(jī)醫(yī)務(wù)工作人員的安全。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可以高智能化搬運(yùn)和運(yùn)送藥品的機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)藥品的自動(dòng)運(yùn)輸。能夠在完全沒(méi)有接觸的情況下完成藥品的運(yùn)送工作，既能送達(dá)到諸如病房或診室等固定地點(diǎn)，也能送達(dá)到病人或醫(yī)護(hù)人員指定的臨時(shí)地點(diǎn)，便于取藥。該設(shè)備可以提高藥品運(yùn)輸效率，減緩醫(yī)護(hù)人員或病人及家屬的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以提高傳染病毒的防控能力。本產(chǎn)品的高智能化高機(jī)動(dòng)性符合當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展方向。

1" 藥品輸機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

當(dāng)今時(shí)代智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人研究主要在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、感知與定位技術(shù)、管理系統(tǒng)等方面。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)：智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人為了確保在存儲(chǔ)和配送過(guò)程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，所以對(duì)運(yùn)動(dòng)控制能力要求較高。當(dāng)前大多數(shù)藥品運(yùn)輸機(jī)器人通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型等，優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法，提高其運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。機(jī)器人感知與定位技術(shù)：當(dāng)前藥品運(yùn)輸機(jī)器人常采用傳感器融合、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，提高機(jī)器人的感知和定位精度，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和避障。機(jī)器人管理系統(tǒng)：智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人與上位機(jī)管理系統(tǒng)保持穩(wěn)定的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)藥品信息的實(shí)時(shí)更新和管理。當(dāng)前大多采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)手段，構(gòu)建機(jī)器人管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)之間的信息交互和協(xié)同工作。

2" 藥品運(yùn)輸機(jī)器人設(shè)計(jì)

智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人以單片機(jī)作為控制核心，包含藥品收納結(jié)構(gòu)、車(chē)體和控制系統(tǒng)等部分。設(shè)計(jì)并制作的藥品運(yùn)輸機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)5由電源模塊、藥品監(jiān)測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊、路徑跟蹤模塊、紅外避障模塊和基于機(jī)器視覺(jué)的數(shù)字識(shí)別模塊等組成[1]。它具備藥品運(yùn)輸、數(shù)字解碼、自動(dòng)導(dǎo)航、速度自適應(yīng)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)藥品的自動(dòng)化運(yùn)輸。動(dòng)力系統(tǒng)7由四個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，直接連接在控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)可直接控制機(jī)器人行走。

智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人工作原理：利用控制系統(tǒng)5中的電源模塊對(duì)機(jī)器人整體進(jìn)行供電，并利用移動(dòng)設(shè)備連接控制系統(tǒng)中的藍(lán)牙模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在移動(dòng)設(shè)備端可選取自動(dòng)尋跡和手動(dòng)操控兩種模式。手動(dòng)操控，機(jī)器人可在操控人員的指令下完成任務(wù)；自動(dòng)尋跡，機(jī)器攝像頭8啟動(dòng)識(shí)別場(chǎng)景內(nèi)部鋪設(shè)的黑線，控制系統(tǒng)5控制機(jī)器人沿黑線前行，在運(yùn)輸行程中通過(guò)紅外避障模塊完成避障功能[2]。黑線途中設(shè)有藥品運(yùn)輸站點(diǎn)，在使用前輸入停靠站點(diǎn)的編號(hào)，站點(diǎn)底部設(shè)有停靠芯片，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到準(zhǔn)確編號(hào)的芯片，機(jī)器人停靠等待病人取藥。病人取完藥后，壓力傳感器4感知車(chē)廂重量發(fā)生變化，前往下一個(gè)站點(diǎn)。

3" 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" 藥品檢測(cè)與尋跡避障

智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人的藥品檢測(cè)模塊采用壓力傳感器裝置。壓力傳感器通過(guò)感知藥品的壓力變化，判斷藥品的裝卸及藥品重量等信息。將壓力傳感器安裝在藥品收納箱中，與藥品直接接觸。當(dāng)藥品放入藥品收納箱時(shí)，壓力傳感器感知到藥品對(duì)藥品收納箱施加的壓力，并將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給綜合控制系統(tǒng)。綜合控制系統(tǒng)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，判斷藥品是否存在以及藥品的重量等信息。為了提高檢測(cè)精度和可靠性，用多通道壓力傳感器，對(duì)不同位置的藥品包裝進(jìn)行壓力檢測(cè)，并對(duì)多個(gè)通道的壓力值進(jìn)行比較和校準(zhǔn)。同時(shí)，可以采用多種類(lèi)壓力傳感器，以適應(yīng)不同類(lèi)型和規(guī)格的藥品包裝。

采用紅外避障探測(cè)模塊，該模塊擁有出較強(qiáng)的實(shí)用性。通過(guò)配置了一個(gè)紅外線發(fā)射器和接收器，發(fā)射器能夠發(fā)出特定頻率的紅外信號(hào)。在范圍內(nèi)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)會(huì)被反射，進(jìn)而被接收管接收，再經(jīng)由比較器電路處理之后，進(jìn)而輸出數(shù)字信號(hào)。通過(guò)該模塊也可以檢查障礙物，對(duì)多個(gè)物體分層使用多個(gè)紅外避障模塊。

3.2" 控制模塊

控制模塊采用STM32F103系列單片機(jī)，如圖2所示，內(nèi)核是ARM Cortex-M3架構(gòu)使得它具有出色的處理能力[3]和高效的指令執(zhí)行速度能夠快速地完成數(shù)據(jù)處理、信息統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)控制等任務(wù)。分配任務(wù)給小車(chē)時(shí)，STM32F103單片機(jī)負(fù)責(zé)接收并解析任務(wù)信息包括任務(wù)內(nèi)容、目標(biāo)位置、運(yùn)輸要求等。STM32F103單片機(jī)具有眾多的I/O口，藍(lán)牙模塊、紅外避障模塊、攝像頭模塊等采集外部信息傳輸給STM32F103單片機(jī)，STM32F103單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成尋跡、避障、?？康热蝿?wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人的控制。

STMF32F103系列單片機(jī)可以存放用戶的程序和數(shù)據(jù)，中央微處理器CPU中有指令寄存器、指令譯碼器，程序計(jì)數(shù)器等部件，由程序計(jì)數(shù)器尋找下一條要執(zhí)行的指令，后將指令送給指令寄存器，再由指令譯碼器翻譯執(zhí)行該指令，完成對(duì)指令功能的操作。在人機(jī)互動(dòng)中使用STM32F103系列單片機(jī)，根據(jù)其數(shù)據(jù)處理能力和計(jì)算功能進(jìn)而在智能機(jī)器人方面實(shí)現(xiàn)控制。

3.3" 無(wú)線通信模塊

機(jī)器人通過(guò)連接模塊內(nèi)的微控制器串行端口，實(shí)現(xiàn)其他設(shè)備進(jìn)行藍(lán)牙連接。能夠與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令傳達(dá)。無(wú)線通信模塊采用藍(lán)牙音頻加數(shù)據(jù)傳輸模塊。支持音頻通信，具備高速數(shù)據(jù)傳輸能力，手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備可以與機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。通過(guò)發(fā)送指令，用戶可以精確地指示機(jī)器人前往醫(yī)務(wù)人員或病人所在的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的藥品配送。此外，無(wú)線通信模塊還提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)同步的功能。用戶可以通過(guò)手機(jī)等設(shè)備實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的位置、工作狀態(tài)和配送進(jìn)度等信息，從而更好地掌握藥品運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況。這一功能對(duì)于提高工作效率和確保醫(yī)療服務(wù)的及時(shí)性具有重要意義。無(wú)線通信模塊為用戶提供了便捷、高效的通信方式。通過(guò)藍(lán)牙音頻加數(shù)據(jù)傳輸模塊的應(yīng)用，機(jī)器人能夠更好地服務(wù)于醫(yī)療行業(yè)和其他相關(guān)領(lǐng)域，為未來(lái)的智能化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.4" 循跡模塊

圖3為尋跡模塊圖，尋跡模塊采用三路尋跡模塊通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人行駛速度、準(zhǔn)確地檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)彎、變速等動(dòng)作。三路尋跡模塊可以提高機(jī)器人的智能性和適應(yīng)性，使其能夠更好地適應(yīng)各種環(huán)境和任務(wù)?？梢宰寵C(jī)器人循跡，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人沿著黑線行駛，三路尋跡模塊收集信號(hào)，以低電平信號(hào)傳送給STM32單片機(jī)，遇到非黑線部分時(shí)就發(fā)出高電平信號(hào)給STM32單片機(jī)[4]。STM32單片機(jī)通過(guò)接收到的電平信號(hào)去判斷電平高低，就能夠做出相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)基本的尋跡功能。

3.5" 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

此模塊采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片支持PWM控制和過(guò)流保護(hù)等功能。本模塊通過(guò)STM32單片機(jī)通過(guò)變換直流電流的方向控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)[5]，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制PWM來(lái)調(diào)節(jié)工作電路內(nèi)輸出脈沖的占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)輸機(jī)器人的運(yùn)輸功能。12 V兩相混合步進(jìn)電機(jī)對(duì)于每轉(zhuǎn)200步的兩相混合步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其步進(jìn)角度為1.8°，該步數(shù)為轉(zhuǎn)子和定子上齒數(shù)的函數(shù)。該兩相電機(jī)利用永磁體和帶齒鐵轉(zhuǎn)子的工作方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度和高效率的旋轉(zhuǎn)。

3.6" 電路與程序設(shè)計(jì)

3.6.1" 電路設(shè)計(jì)

藥品運(yùn)輸機(jī)器人的電路涵蓋了電源管理、主控、傳感器、通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，如圖4所示。電源管理模塊確保機(jī)器人持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)；主控模塊作為核心，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)并控制機(jī)器人的動(dòng)作；傳感器模塊讓機(jī)器人能夠感知外界環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航和避障；通信模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與中央控制系統(tǒng)和藥品庫(kù)之間的信息交互；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；安全保護(hù)模塊則確保機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的安全性[6]。整體設(shè)計(jì)通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。

3.6.2" 電路原理圖

藥品運(yùn)輸機(jī)器人的電路原理圖詳細(xì)展示了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)和功能。該原理圖首先描述了電源部分，為機(jī)器人提供穩(wěn)定的工作電壓；然后，展示了主控模塊作為電路核心，負(fù)責(zé)接收傳感器信號(hào)并控制機(jī)器人動(dòng)作；傳感器模塊負(fù)責(zé)感知外部環(huán)境信息，確保機(jī)器人精準(zhǔn)導(dǎo)航和避障；通信模塊則允許機(jī)器人與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；安全保護(hù)模塊則確保機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的安全性。此外，原理圖還包含了輔助電路以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[7]。整個(gè)電路原理圖通過(guò)圖形化的方式清晰地展示了各模塊之間的關(guān)系和連接方式，如圖5所示。

3.7" 程序設(shè)計(jì)思路

智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)采取了一種分而治之的方法。將每個(gè)功能模塊的程序進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，提取出其中的共通部分，形成可復(fù)用的程序組件。提高代碼的復(fù)用性，增強(qiáng)程序的模塊化程度。

控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和循跡模塊、紅外避障模塊的設(shè)計(jì)。這些模塊直接影響機(jī)器人完成識(shí)別數(shù)字、配送和返回的任務(wù)?？刂颇K是負(fù)責(zé)接收指令并驅(qū)動(dòng)小車(chē)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)模式，根據(jù)不同的狀態(tài)和不同的輸入信號(hào)，控制小車(chē)完成不同的動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的效果[8]。循跡模塊利用攝像頭檢測(cè)地面上的黑線，引導(dǎo)小車(chē)沿著預(yù)定的軌跡行進(jìn)[9]。我們通過(guò)不斷調(diào)整傳感器的閾值，以適應(yīng)不同的地面環(huán)境。在完成各個(gè)模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)后，進(jìn)行整合，形成一個(gè)完整的程序。通過(guò)調(diào)用先前設(shè)計(jì)的公共部分程序，以及根據(jù)具體需求設(shè)計(jì)出的各個(gè)步驟特有的部分，實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)。程序的性能和效率，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比，保證機(jī)器人能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，提高程序的執(zhí)行效率。

程序設(shè)計(jì)思路：首先提取出各個(gè)功能模塊中共通的部分，形成可復(fù)用的程序組件；然后獨(dú)立設(shè)計(jì)每個(gè)功能模塊的程序；最后將各個(gè)模塊整合在一起，形成一個(gè)完整的程序[10]。這樣的設(shè)計(jì)思路提高了代碼的復(fù)用性、減少冗余、增強(qiáng)程序的模塊化程度，并確保小車(chē)能夠準(zhǔn)確、高效地完成任務(wù)。

3.8" 控制流程圖及實(shí)物圖

圖6為主要程序流程圖，首先電源模塊通電，STM32控制器啟動(dòng)控制攝像頭采集模塊和傳感器模塊工作采集外部環(huán)境信息，選擇手動(dòng)控制端工作方式，攝像頭采集模塊和傳感器模塊向STM32控制器傳輸尋跡軌道和機(jī)體信息，控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊啟動(dòng)，準(zhǔn)備開(kāi)始藥品運(yùn)輸工作，工作人員通過(guò)上機(jī)位連接藍(lán)牙向中央控制系統(tǒng)發(fā)布工作指令，機(jī)器人通過(guò)鋪設(shè)好的黑線軌道并在途中超紅外避障模塊不斷向STM32單片機(jī)傳輸信息，STM32單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成避障。機(jī)器人實(shí)物圖如圖7所示。

4" 結(jié)" 論

本文研究了一種基于STM32單片機(jī)的智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人，通過(guò)攝像頭信息采集模塊、無(wú)線通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藥品檢測(cè)與紅外避障模塊，實(shí)現(xiàn)了藥品的高效、定點(diǎn)運(yùn)輸。該機(jī)器人不僅解決了醫(yī)療行業(yè)中藥品運(yùn)輸工作量大、人力成本高的問(wèn)題，更在傳染病區(qū)等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中有效避免了交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，顯著提升了醫(yī)療資源的利用效率和工作效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的進(jìn)一步推廣，智能藥品運(yùn)輸機(jī)器人將在未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為醫(yī)療行業(yè)的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展注入新的活力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張雄偉.基于視覺(jué)導(dǎo)航的縮微車(chē)智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014.

[2] 黃永濤，王功，劉春瑞.基于單片機(jī)的智能小車(chē)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（1）：75-76.

[3] 張仕健，胡偉武.一種向分支指令后插入冗余指令的容錯(cuò)微結(jié)構(gòu) [J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2007（10）：1674-1680.

[4] 王瑞鵬，段奇凱，高程，等.基于嵌入式STM32的防盜錢(qián)包設(shè)計(jì) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2022，30（6）：127-130+135.

[5] 黃充，劉源杰，何玉靈，等.基于STM32的全向移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì) [J].信息記錄材料，2022，23（9）：210-213.

[6] 曲翠翠.工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)線分揀站的應(yīng)用要素探索 [J].電子元器件與信息技術(shù)，2022，6（8）：113-116.

[7] 于洋，劉晶，王迪，等.多格式信號(hào)采集處理模塊的研究實(shí)現(xiàn) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28（21）：93-97+102.

[8] 吳鵬浩，徐夢(mèng)如，竇浩鵬，等.基于STM32單片機(jī)的掃地機(jī)器人設(shè)計(jì) [J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019，9（6）：248-250+253.

[9] 高鳳水，靳濤，趙書(shū)朵.基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車(chē)設(shè)計(jì) [J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008（5）：104-106.

[10] 王磊.基于DM642的人臉檢測(cè)系統(tǒng) [D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：李建超（2003—），男，漢族，山東德州人，本科在讀，研究方向：機(jī)械電子工程。