邱廣萍，林峻光，符展培

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

醫(yī)院自動(dòng)取藥機(jī)器人與樣機(jī)制作

邱廣萍，林峻光，符展培

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

醫(yī)院自動(dòng)取藥機(jī)器人樣機(jī)是一種新型的自助取藥模式.自助取藥機(jī)械手作為執(zhí)行部件，具有根據(jù)信息識(shí)別藥物位置及種類，根據(jù)信號(hào)提取一定數(shù)量的藥物的功能，系統(tǒng)利用滑臺(tái)運(yùn)輸藥物到控制臺(tái)是安全傳輸?shù)年P(guān)鍵.應(yīng)用藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并通過舵機(jī)控制整個(gè)機(jī)械手的工作速度，驗(yàn)證了機(jī)械手設(shè)計(jì)的合理性，完成自動(dòng)取藥機(jī)器人樣機(jī)的制作.最后，通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法精度高、穩(wěn)定性好，目前將該方法成功運(yùn)用于自動(dòng)取藥機(jī)械手設(shè)計(jì)中.

自動(dòng)取藥； 機(jī)械手； 藍(lán)牙無線傳輸

1 前言

醫(yī)院自動(dòng)取藥樣機(jī)是自動(dòng)化技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的拓展，是發(fā)展集數(shù)字化，智能化為一體的新型醫(yī)院發(fā)展模式,是現(xiàn)有公眾醫(yī)院服務(wù)的延伸，可以讓傳統(tǒng)醫(yī)院服務(wù)與自動(dòng)化服務(wù)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍.醫(yī)院自動(dòng)取藥樣機(jī)由置藥機(jī)、機(jī)械手、滑臺(tái)和藍(lán)牙串口通信等部分組成.其中藍(lán)牙串口通信是各大組成部分不可缺少的硬件基礎(chǔ)，也是樣機(jī)的核心組成部分.

藍(lán)牙技術(shù)是使用 2.4-2.485GHz 的 ISM 波段的 UHF 無線電波，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備之間短距離的數(shù)據(jù)交換.藍(lán)牙技術(shù)是基于數(shù)據(jù)包、有著主從架構(gòu)的協(xié)議.數(shù)據(jù)傳輸可隨時(shí)在主設(shè)備和從設(shè)備之間進(jìn)行.主設(shè)備可以與七個(gè)從設(shè)備相連接.自動(dòng)取藥機(jī)樣機(jī)的機(jī)械手部分組成了主設(shè)備，置藥機(jī)由四個(gè)從設(shè)備組成.藍(lán)牙協(xié)議能夠簡(jiǎn)化設(shè)備間服務(wù)的發(fā)現(xiàn)和設(shè)置，因此使得自動(dòng)取藥樣機(jī)的順利運(yùn)行.

藍(lán)牙技術(shù)是自動(dòng)取藥樣機(jī)的核心技術(shù)，它通過無線傳輸?shù)姆绞浇邮諗?shù)據(jù)，并對(duì)發(fā)送過來的微波的不同頻率與波長進(jìn)行識(shí)別，無須第三方對(duì)樣機(jī)各大部分進(jìn)行操作.正是由于藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)使得樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院自動(dòng)識(shí)別藥物的種類與數(shù)量和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取藥的功能[1].

機(jī)械手和置藥機(jī)作為自動(dòng)取藥的執(zhí)行系統(tǒng)，具有自動(dòng)分配藥物、自動(dòng)取藥的功能，是整個(gè)自動(dòng)取藥樣機(jī)的關(guān)鍵部位.置藥機(jī)的結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)控制藥物的種類與數(shù)量和機(jī)械手定位精度是整個(gè)工作流程的幾大性能指標(biāo).因此，對(duì)取藥機(jī)械手系統(tǒng)的研究具有重要的意義.

2 自動(dòng)取藥樣機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)架

自動(dòng)取藥系統(tǒng)主要包括藍(lán)牙無線操作終端、識(shí)別藥物、步進(jìn)電機(jī)服務(wù)終端、輔助部件等部分組成.藍(lán)牙無線操作終端是自動(dòng)取藥系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)自動(dòng)取藥功能的實(shí)現(xiàn).置藥機(jī)從機(jī)將藥品從藥筒中安置到滑臺(tái)的托盤中.在取藥過程中，機(jī)械手需要將托盤中的藥品取出.

2.1 機(jī)械手的基本組成

機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖 1 所示.自動(dòng)取藥樣機(jī)的機(jī)械手主要有機(jī)械手指、機(jī)械手底座、舵機(jī).其中機(jī)械手指和舵機(jī)是機(jī)械的關(guān)鍵部件，這2個(gè)部件配合后才能完成“藥物定位—藥物抓取—藥物投放”這一系列連續(xù)動(dòng)作.通過對(duì)機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)自動(dòng)完成取藥過程.

2.1.1 機(jī)械手的工作原理

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由單片機(jī) STM32F103ZET6 控制舵機(jī)帶動(dòng)硬件來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī) STM32F103ZET6 發(fā)出控制指令控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角、舵機(jī)的轉(zhuǎn)角帶動(dòng)機(jī)械手做 360 度的二維運(yùn)動(dòng)，通過藍(lán)牙無線傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在托盤上的準(zhǔn)確定位，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到取藥點(diǎn)后保持合適的取藥姿態(tài)，然后機(jī)械手爪在舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下伸出并以一定角度插入托盤，在齒輪的作用下將藥物夾緊，接著機(jī)械手再轉(zhuǎn)動(dòng)相反同等的角度，即機(jī)械手由取藥點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到投藥點(diǎn)，在投藥點(diǎn)處機(jī)械手2根手指退回，完成一次自動(dòng)取藥的過程[2].

圖1 機(jī)械手仿真模型

2.1.2 單片機(jī) STM32F103ZET6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是支配機(jī)械手按規(guī)定要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng).機(jī)械手采用單片機(jī)控制舵機(jī)的角度來完成動(dòng)作，同時(shí)根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，通過編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位.對(duì)舵機(jī)的控制如下：

控制電路板接收控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列的齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤.舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，到達(dá)目標(biāo)后停止.舵機(jī)的控制信號(hào)為周期 20ms 的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其脈沖寬度從 0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為 0-180 度，呈線性變化.脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置[3].

2.2 置藥機(jī)的設(shè)計(jì)

2.2.1 置藥機(jī)的基本組成

置藥機(jī)有四個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)主要由舵機(jī)、藍(lán)牙無線裝置、藥筒組成，其中藍(lán)牙無線裝置和舵機(jī)是置藥機(jī)的關(guān)鍵部件，這 2 個(gè)部件精確配合才能夠完成“藍(lán)牙接收—舵機(jī)執(zhí)行—藥品投放—數(shù)據(jù)反饋”這一系列連續(xù)動(dòng)作.通過對(duì)藍(lán)牙技術(shù)和舵機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)在自動(dòng)完成置藥機(jī)出藥的過程.

2.2.2 置藥機(jī)的工作原理

從機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是由藍(lán)牙接收指令后再通過單片機(jī)控制舵機(jī)帶動(dòng)整個(gè)置藥機(jī)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)發(fā)出控制指令控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，舵機(jī)的擺動(dòng)控制藥物的投放，通過角度控制藥物的投放量.工作時(shí)，首先藍(lán)牙裝置接收信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)控制指令控制相對(duì)應(yīng)的舵機(jī)，然后再由舵機(jī)的轉(zhuǎn)角來保證要藥物的數(shù)量，接著輸送完對(duì)應(yīng)的藥物量后停止舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，等待下次命令.

2.3 藍(lán)牙無線通信部分

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù).能在眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換.利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化通信終端設(shè)備之間的通信.自動(dòng)取藥樣機(jī)采用MLF中的 NRF24L01 技術(shù)，在波特率為 250 時(shí)，傳輸距離為 100 米. 2.3.1 MLF 無線傳輸發(fā)送模式

該函數(shù)初始化 NRF24L01 到 TX 模式，設(shè)置 TX 地址，寫TX 數(shù)據(jù)寬度，設(shè)置 RX 自動(dòng)應(yīng)答的地址，填充 TX 發(fā)送數(shù)據(jù)，選擇 RF 頻道，波特率和 LNA HCURR.當(dāng) CE 變高后，即進(jìn)入 RX 模式，并可以接收數(shù)據(jù).CE 為高且大于 10us，則啟動(dòng)發(fā)送[4].MLF 自動(dòng)發(fā)送核心程序如下：

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道 0 的自動(dòng)應(yīng)答

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道 0 的接收地址

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+SETUP_ RETR,0x1a);// 設(shè) 置 自 動(dòng) 重 發(fā) 間 隔 時(shí) 間 ：NRF24L01_Write _Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40);// 設(shè)置 RF 通 道為 40NRF24L01_CE=1;//CE 為高，10us 后自動(dòng)發(fā)送

2.3.2 MLF 無線傳輸接收模式

該函數(shù)初始化 NRF24L01 到 RX 模式，設(shè)置 RX 地址，寫 RX 數(shù)據(jù)寬度，選擇 RF 頻道，波特率和 LNA HCURR當(dāng) CE 變高 后 ，即 進(jìn) 入 RX 模 式 ，并 可 以接收 數(shù) 據(jù)[5].MLF 接收核心程序如下：

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道 0 的自動(dòng)應(yīng)答

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道 0 的接收地址

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40);//設(shè)置RF通信頻率

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);// 配 置 基 本 工 作 模 式 的 參 數(shù) ；//PWR_UP,EN_CRC, 16BIT_CRC,接收模式

NRF24L01_CE=1;//CE 為高，進(jìn)入接收模式

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本課題進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容主要是制定自動(dòng)取藥樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，分別從樣機(jī)控制系統(tǒng)方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面來闡述樣機(jī)如何工作.主要的研究成果有以下兩個(gè)方面：

3.1 樣機(jī)控制系統(tǒng)方案

在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，首先分析了本次設(shè)計(jì)成果的實(shí)際需求和技術(shù)要求，然后再制定總體移動(dòng)方案，跟著就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).通過動(dòng)態(tài)性能演算，來確保機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，提出控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想及相關(guān)設(shè)計(jì)原則，指導(dǎo)后期控制系統(tǒng)開發(fā).

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)預(yù)期目標(biāo)所需要的選材原則和選材辦法，符合了實(shí)際應(yīng)用的要求，也保證了樣機(jī)內(nèi)部各器材的搭配的要求.從理論設(shè)計(jì)方案出發(fā)，總結(jié)出實(shí)際的設(shè)計(jì)方案以及延伸，并且得到了實(shí)際操作的驗(yàn)證.針對(duì)實(shí)操設(shè)計(jì)提出了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，一切從實(shí)際出發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題積極改進(jìn)，加工制作出符合要求的產(chǎn)品.

本課題采用 towerpro995 系列的 MG996R 兩相步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械手臂的取藥電機(jī)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其運(yùn)行頻率為20khz，通過在實(shí)驗(yàn)中得到電機(jī)運(yùn)行的占空比與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系.結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，占空比每變化500 就改變 45 度.可以成功的抓取到托盤藥物，符合了醫(yī)院自動(dòng)取藥的要求.

4 結(jié)語

本文提出的自動(dòng)取藥樣機(jī)可以真正完成全方面的取藥功能，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)藥房方面取得成功的應(yīng)用.實(shí)踐表明，自動(dòng)取藥樣機(jī)的設(shè)計(jì)，定位精確，運(yùn)行平穩(wěn)，步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)時(shí)間縮短，尤其對(duì)于醫(yī)院實(shí)現(xiàn)自動(dòng)藥房起到重要的作用.

〔1〕 鄧榮華, 范贛軍. 基于 BlueCore2-External藍(lán)牙 芯片的USB 接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005(06).

〔2〕張志勇,何東健,張建鋒,黃鋁文,姬紅衛(wèi).蘋果采摘機(jī)器人手臂控制研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(02).

〔3〕包向 華,章躍進(jìn).基 于 SIMULINK 的 永磁 無 刷 直流 電 動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)的建模與仿真 [J]. 電氣傳動(dòng) 自 動(dòng) 化,2005 (04).

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TP242.2

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：1673-260X（2016）02-0036-02

2015 年 11 月 22 日

2014 年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201412623002）