祝前峰?陸榮鑑?張建紅?谷雨

摘 要：智能機(jī)器人是機(jī)電一體化方向的重要研究對(duì)象，本文研究的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人不僅具有廣闊的應(yīng)用前景，而且對(duì)社會(huì)發(fā)展有積極的促進(jìn)作用?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)是醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各模塊功能的關(guān)鍵，此次設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)以dsPIC33EP256MU810為核心，并分別進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)。首先，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)以dsPIC33EP256MU810為核心的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制板，其功能模塊包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、循跡傳感器模塊、電子羅盤模塊、測(cè)距傳感器模塊等;其次，完成醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的安裝后，對(duì)傳感器的布局進(jìn)行分析與選擇，并對(duì)路徑規(guī)劃與循跡算法進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和研究;最后，從軟件設(shè)計(jì)的角度分析醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，如開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、主程序的主要流程、重要模塊的初始化等。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng);硬件設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì);路徑算法研究

0 引言

中國版“工業(yè)4.0”規(guī)劃《中國制造 2025》指出，中國發(fā)展亟須提升信息化水平，提高與工業(yè)的融合程度，我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、創(chuàng)新發(fā)展將迎來重大機(jī)遇，為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展提供了更廣闊的舞臺(tái)，智能化機(jī)器人的研究將成為我國產(chǎn)業(yè)建設(shè)的重要對(duì)象。[1]

我國機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用正處于起步階段，工業(yè)機(jī)器人仍然是在仿制，難以創(chuàng)新，缺乏核心技術(shù)與核心競(jìng)爭(zhēng)力。雖然我國在機(jī)器人機(jī)械學(xué)的研究領(lǐng)域取得了不少重大研究成果和突破，甚至一些研究成果已經(jīng)達(dá)到或超過國際同等水平，但不得不說我們?nèi)匀徊荒芟到y(tǒng)、全面、科學(xué)地進(jìn)行機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵零部件如電機(jī)等技術(shù)十分不成熟，所以現(xiàn)在國內(nèi)大部分機(jī)器人仍然需要從國外進(jìn)口。

世界上第一臺(tái)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人Helpmate誕生于TRC公司，它于1990年研制成功并對(duì)外出售，目前已在世界各地的幾十家醫(yī)院投入使用。Helpmate可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，它不需要輔助制導(dǎo)或者提前把路徑規(guī)劃好，當(dāng)我們把循跡程序輸入機(jī)器人之后，Helpmate可以完成很多工作，例如送病歷、報(bào)表及信件，取送藥品，運(yùn)送醫(yī)療設(shè)備和器材，完成簡(jiǎn)單的換藥工作等。

通過研究機(jī)器人相關(guān)技術(shù)，學(xué)習(xí)專業(yè)課程知識(shí)，完成一套醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、硬件電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，旨在應(yīng)用于醫(yī)療服務(wù)行業(yè)，承擔(dān)沿規(guī)定路線行進(jìn)、躲避障礙物、問候病人、抓取藥物、快速運(yùn)送藥物的功用。[2]發(fā)展醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，在行業(yè)中實(shí)行人機(jī)并用的模式，以醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人部分替代24小時(shí)輪班護(hù)士，可以很好地實(shí)現(xiàn)醫(yī)院人員的合理安排，減少醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度與壓力，大大提高醫(yī)護(hù)人員的幸福感與工作效率。

1 整體結(jié)構(gòu)概述

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人主要應(yīng)用于醫(yī)療服務(wù)行業(yè)，它所應(yīng)具有的功用包括循跡、避障、定向行駛、抓取物品、運(yùn)輸物件、語音詢問等。為實(shí)現(xiàn)以上功用，設(shè)計(jì)者需要考量其機(jī)械結(jié)構(gòu)，如機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)、車身的選擇。機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各類檢測(cè)器件、傳感元件的選型，尤其是控制板的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)更是難點(diǎn)也是重點(diǎn)。同時(shí)，合理的路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人流暢行進(jìn)的難點(diǎn)與核心所在。綜合以上，為實(shí)現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的功能，其功能模塊包括測(cè)距模塊、循跡模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電子羅盤方向模塊。采用PWM驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，選用紅外和超聲波傳感器來測(cè)距，選用三軸帶SPI接口的傳感器電子羅盤。

2 機(jī)械部分方案

機(jī)械手是醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的重要機(jī)械部分，為實(shí)現(xiàn)抓取物件的功能，從自由度的角度來看，6自由度機(jī)械手以及4自由度機(jī)械手是比較常見的兩種機(jī)械手;從坐標(biāo)系的角度來看，圓柱坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系均有應(yīng)用。[3]6自由度機(jī)械手的靈活性更強(qiáng)，在工作空間內(nèi)可以以多種角度靈活抓取物件，底座上的舵機(jī)對(duì)扭矩及功率要求較高，其靈活程度超過了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的所需。4自由度機(jī)械手的靈活程度滿足醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的需要，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人在高速行進(jìn)時(shí)，機(jī)械手可以向后折疊，盡量將自身重心與車體幾何中心重合，減少醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人在行駛過程中的顛簸。

機(jī)器人的末端執(zhí)行器是一個(gè)安裝在機(jī)器人手臂上或者移動(dòng)設(shè)備，使機(jī)器人能夠拿起一個(gè)對(duì)象，且具有傳輸、處理、夾持、放置和釋放目標(biāo)到準(zhǔn)確的離散位置等功用的機(jī)構(gòu)。[4]醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的夾取機(jī)構(gòu)是直接和目標(biāo)物件接觸的機(jī)構(gòu)，夾取物件的速度以及穩(wěn)固程度直接決定了機(jī)器人完成任務(wù)情況的好壞，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、夾取穩(wěn)定好的夾取機(jī)構(gòu)是本醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的優(yōu)先選擇。

本醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的總體方案從自由度、抓取機(jī)構(gòu)的角度分析了多種機(jī)械手的優(yōu)劣以及適合的應(yīng)用場(chǎng)合，最終選取了適合本醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的4自由度機(jī)械手及齒輪連桿夾取機(jī)構(gòu)。

3 醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

本次醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)包括主控芯片選型、PLC控制板單元模塊設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)板模塊設(shè)計(jì)和各類檢測(cè)傳感元器件選型等。其中，控制板模塊包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)距模塊、聲音模塊、編碼器模塊、電子羅盤模塊、循跡傳感器模塊等。醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的整體硬件設(shè)計(jì)，分模塊對(duì)各硬件部分的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)原理、所應(yīng)用芯片功能進(jìn)行了具體闡述，重點(diǎn)針對(duì)驅(qū)動(dòng)部分，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)，為減小信號(hào)不一致造成的車體一側(cè)轉(zhuǎn)速不一的情況，最終選用兩路PWM控制的對(duì)應(yīng)電路設(shè)計(jì)，應(yīng)用大電流H橋的原理并設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。重點(diǎn)是對(duì)循跡傳感器的選型及布局，經(jīng)過分析，選擇安裝了三組8路數(shù)字灰度傳感器，每組灰度傳感器間隔100mm，離地高度約30mm。調(diào)試盡量使三組灰度傳感器的靈敏度保持一致，為循跡算法帶來便利。

4 路徑識(shí)別算法總概

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人使用灰度傳感器作為循跡模塊，灰度傳感器對(duì)地面路況的判斷主要是通過對(duì)灰度以及白度的區(qū)分。當(dāng)對(duì)管照到白時(shí)，對(duì)管輸出電壓高于給定電壓，比較器輸出為高電平，即1;當(dāng)對(duì)管照到黑的時(shí)候，此時(shí)對(duì)管輸出的電壓低于給定電壓，比較器輸出為低電平，即0?；谶@個(gè)原理，可以提出一種比較常見的路徑算法，通過I/O端口灰度傳感器輸出信號(hào)讀入單片機(jī)，根據(jù)輸入單片機(jī)端口的高低電平邏輯判斷該灰度傳感器是否處于路徑標(biāo)記線上方，經(jīng)過三組灰度傳感器組的共同判斷，便可判斷此時(shí)車身偏離路徑線的程度，從而調(diào)速。[5]

5 醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MPLAB? IDE軟件程序可以用于開發(fā)Microchip公司生產(chǎn)的單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)控制器等。由于它提供了一個(gè)統(tǒng)一的集成“環(huán)境”來支持嵌入式單片機(jī)的代碼開發(fā)，因此被稱為集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。[6]從以下幾個(gè)角度說明醫(yī)療機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，如開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、主程序主要流程、幾個(gè)重要模塊的初始化，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音及撥碼盤模塊、循跡模塊、舵機(jī)模塊等，對(duì)其中的重要配置參數(shù)。

6 結(jié)語

當(dāng)下，智能機(jī)器人是機(jī)電一體化方向的重要研究對(duì)象，本文所研究的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人不僅具有廣闊的應(yīng)用前景，而且對(duì)社會(huì)發(fā)展有積極的促進(jìn)作用。本醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人選用的主芯為Microchip公司的dsPIC33EP256MU810，3.3V供電保證芯片功耗較小，改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)使其運(yùn)行速度快、集成度高，[7]醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的要求基本可以得到滿足，同時(shí)高速高性能MCU及CPU為復(fù)雜的控制算法、軌跡控制提供了硬件保證。

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作者簡(jiǎn)介：祝前峰（1996—），男，研究生在讀，主要從事機(jī)電一體化、嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。