程鵬，臧琛，陳少東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古呼和浩特，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

現(xiàn)階段，全球智能機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅猛。例如，2010年上海世博會(huì)上歐洲館的主題是“智能歐洲”，充分體現(xiàn)了西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)智能化技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的重視程度。為了順應(yīng)國(guó)際科技發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)正加快速度在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器人等高科技產(chǎn)品。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，服務(wù)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、商業(yè)、餐飲、家政等多個(gè)領(lǐng)域。但國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的機(jī)器人無(wú)量是數(shù)量還是質(zhì)量上都相形見(jiàn)絀。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)每年進(jìn)口醫(yī)療器械要花費(fèi)上千億，其中醫(yī)用機(jī)器人花銷(xiāo)最大，僅一臺(tái)手術(shù)機(jī)器人售價(jià)高達(dá)2千多萬(wàn)元。因此，加大對(duì)醫(yī)用機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)力度尤為重要。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合當(dāng)今一些較為前沿的科學(xué)技術(shù)，幫助減輕病人家屬護(hù)理壓力以及方便病人在困難時(shí)期能完成日常的行動(dòng)，醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人由此產(chǎn)生。為了能夠更加便捷的使用醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人，其設(shè)計(jì)當(dāng)中添加了一些便捷的功能和技術(shù)，本機(jī)器人可以進(jìn)行零半徑轉(zhuǎn)彎，可以使它在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)四個(gè)輪體的方向共處在一個(gè)圓形中；路徑識(shí)別功能，可以自動(dòng)辨別路面平整程度及其障礙物；準(zhǔn)確定位功能，攝像頭與機(jī)械臂二者相互結(jié)合的定點(diǎn)指揮算法等一些核心技術(shù)。該機(jī)器人作為一款認(rèn)為控制的高科技醫(yī)療設(shè)備，以stm32單片機(jī)作為主控，采用PID算法以及RFID射頻識(shí)別技術(shù)來(lái)規(guī)劃路徑，openCV視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別環(huán)境，輔助機(jī)器人避障識(shí)別目標(biāo)等。能夠代替醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行查房、送藥、搬運(yùn)工作，同時(shí)還可以對(duì)病人進(jìn)行簡(jiǎn)單的護(hù)理，還具備協(xié)助病人日常運(yùn)動(dòng)以及病后康復(fù)等功能。這一技術(shù)的運(yùn)用不僅可以減輕醫(yī)院工作人員以及病人家屬的負(fù)擔(dān)，還能夠?qū)崿F(xiàn)模擬醫(yī)生與護(hù)士對(duì)病人進(jìn)行特殊的照顧，該技術(shù)的崛起能夠幫助醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)面向高精尖科技發(fā)展。

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）車(chē)體搭建，輪式無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎：Mecanum輪主體的圓周并非由常見(jiàn)的輪胎構(gòu)成，在其主體機(jī)構(gòu)上含有眾多鼓形小輥?zhàn)?。它但從外表?lái)看就像斜齒輪，鼓形輥?zhàn)泳拖袼凝X輪，從理論上來(lái)講輥?zhàn)拥耐饫€與輪子的四周相重合，同時(shí)輥?zhàn)涌梢匀我廪D(zhuǎn)動(dòng)，輥?zhàn)优c輪二者之間的軸線大多呈45°。輥?zhàn)影齻€(gè)自由度，不但可以獨(dú)自轉(zhuǎn)動(dòng)，還能夠繞車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)能繞與地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這就使輪體本身也形成了三個(gè)自由度，經(jīng)過(guò)該處理，不但可以使驅(qū)動(dòng)輪在橫向具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力，還能夠在縱向獲得自由移動(dòng)的特性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)為輪體提供動(dòng)力后，輪體以常規(guī)方式順著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向運(yùn)功，與此同時(shí)，車(chē)輪四周的輥?zhàn)友刂髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。通過(guò)四個(gè)全角度輪的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的車(chē)輪組合如圖1所示，途中的斜線代表接觸地面的滾子的軸線方向，可分為左旋和右旋。直流電機(jī)獨(dú)立為每個(gè)輪提供動(dòng)力。通過(guò)控制四個(gè)全角度輪形成所需組合，最終使機(jī)器人能夠全方位、多角度的自由移動(dòng)。

4個(gè)全角度輪構(gòu)成的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)極為靈活，同時(shí)使用便捷，通過(guò)在輪體上安裝傳感器，再調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)速和方向，便能夠輕松完成精確定位和軌跡跟蹤。

（2）智能機(jī)械臂協(xié)助抓取物塊。機(jī)械臂的主體是通過(guò)6個(gè)LF20 MG995舵機(jī)和特定金屬支架組建而成?？刂圃O(shè)備可以調(diào)控6個(gè)舵機(jī)的方向，從而指揮機(jī)械臂。在控制裝置中，STM32單片機(jī)傳輸6路PWM波，在通過(guò)6路舵機(jī)隔離板，從而操控6個(gè)舵機(jī)。6路舵機(jī)隔離板的主要作用是提供電力，同時(shí)把STM32單片機(jī)發(fā)出的相關(guān)信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)舵機(jī)。其中，PWM波的單項(xiàng)傳遞是通過(guò)光電耦合器完成的，光電耦合器能夠阻斷由舵機(jī)回流的電流，從而保護(hù)STM32單片機(jī)的安全工作?？刂破鬟x用OpenCV攝像頭，用來(lái)收集物體和機(jī)械臂的圖像傳輸給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)通過(guò)圖像處理算法來(lái)整合、分析相關(guān)信息，從而計(jì)算出機(jī)械臂所要運(yùn)動(dòng)的距離，再通過(guò)PID算法調(diào)整PWM波，通過(guò)6路舵機(jī)隔離板后控制舵機(jī)的角度，從而使機(jī)械臂完成精準(zhǔn)的抓取工作。

（3）搭建輔助行動(dòng)及搬運(yùn)機(jī)械護(hù)理床。該醫(yī)療護(hù)理床可以根據(jù)被護(hù)理人的個(gè)人需要，進(jìn)行整床高低、靠背仰角、腿部取值、床頭角度的調(diào)節(jié)，還可以進(jìn)行將床體變形成為椅子等操作。而床形態(tài)的變化是通過(guò)八個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成的，八個(gè)電機(jī)分別調(diào)節(jié)靠背、大腿、小腿、足部、床前部、床后部等多方位需求，直線電機(jī)選取醫(yī)療用直線推桿，根據(jù)被護(hù)理者身體的受力程度選取相應(yīng)動(dòng)力，由繼電器進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)。床體轉(zhuǎn)換角度通過(guò)安裝在特定位置的角度傳感器調(diào)節(jié)，該角度是通過(guò)人體工學(xué)模擬的，能夠極大提高床的舒適性。同時(shí)配合全方位Mecanum輪底盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)大幅度動(dòng)作運(yùn)動(dòng)和精準(zhǔn)定位移動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究設(shè)計(jì)智能醫(yī)護(hù)機(jī)器人，極大解決了目前醫(yī)院的病護(hù)難題，解決眾多病人需求，作為嫁接醫(yī)生和病人的紐帶，本機(jī)器人致力于方便病人和醫(yī)生，幫助醫(yī)院接軌高智能領(lǐng)域，完成全自動(dòng)化智能化改造。