智能全方位医疗护理机器人设计思路探讨

2020-01-19程鹏臧琛陈少东

中国设备工程 2020年6期

程鹏，臧琛，陈少东

（内蒙古工业大学内蒙古呼和浩特，内蒙古呼和浩特 010010）

现阶段，全球智能机器人行业发展迅猛。例如，2010年上海世博会上欧洲馆的主题是“智能欧洲”，充分体现了西方发达国家对智能化技术及相关产品研发的重视程度。为了顺应国际科技发展趋势，国内正加快速度在医疗领域应用机器人等高科技产品。在一些发达国家，服务机器人被广泛应用于医疗、商业、餐饮、家政等多个领域。但国内自主研发的机器人无量是数量还是质量上都相形见绌。据调查，国内每年进口医疗器械要花费上千亿，其中医用机器人花销最大，仅一台手术机器人售价高达2千多万元。因此，加大对医用机器人的设计研发力度尤为重要。

1 系统架构

结合当今一些较为前沿的科学技术，帮助减轻病人家属护理压力以及方便病人在困难时期能完成日常的行动，医疗护理机器人由此产生。为了能够更加便捷的使用医疗护理机器人，其设计当中添加了一些便捷的功能和技术，本机器人可以进行零半径转弯，可以使它在转动时四个轮体的方向共处在一个圆形中；路径识别功能，可以自动辨别路面平整程度及其障碍物；准确定位功能，摄像头与机械臂二者相互结合的定点指挥算法等一些核心技术。该机器人作为一款认为控制的高科技医疗设备，以stm32单片机作为主控，采用PID算法以及RFID射频识别技术来规划路径，openCV视觉系统识别环境，辅助机器人避障识别目标等。能够代替医护人员进行查房、送药、搬运工作，同时还可以对病人进行简单的护理，还具备协助病人日常运动以及病后康复等功能。这一技术的运用不仅可以减轻医院工作人员以及病人家属的负担，还能够实现模拟医生与护士对病人进行特殊的照顾，该技术的崛起能够帮助医疗卫生事业面向高精尖科技发展。

2 硬件设计

（1）车体搭建，轮式无半径转弯：Mecanum轮主体的圆周并非由常见的轮胎构成，在其主体机构上含有众多鼓形小辊子。它但从外表来看就像斜齿轮，鼓形辊子就像它的齿轮，从理论上来讲辊子的外廓线与轮子的四周相重合，同时辊子可以任意转动，辊子与轮二者之间的轴线大多呈45°。辊子包含三个自由度，不但可以独自转动，还能够绕车轴转动，同时能绕与地面的接触点转动。这就使轮体本身也形成了三个自由度，经过该处理，不但可以使驱动轮在横向具有主动驱动能力，还能够在纵向获得自由移动的特性。当电动机为轮体提供动力后，轮体以常规方式顺着垂直于驱动轴的方向运功，与此同时，车轮四周的辊子沿着各自的轴线自由旋转。通过四个全角度轮的运动机构的车轮组合如图1所示，途中的斜线代表接触地面的滚子的轴线方向，可分为左旋和右旋。直流电机独立为每个轮提供动力。通过控制四个全角度轮形成所需组合，最终使机器人能够全方位、多角度的自由移动。

4个全角度轮构成的全方位移动机构，运动极为灵活，同时使用便捷，通过在轮体上安装传感器，再调节好转速和方向，便能够轻松完成精确定位和轨迹跟踪。

（2）智能机械臂协助抓取物块。机械臂的主体是通过6个LF20 MG995舵机和特定金属支架组建而成。控制设备可以调控6个舵机的方向，从而指挥机械臂。在控制装置中，STM32单片机传输6路PWM波，在通过6路舵机隔离板，从而操控6个舵机。6路舵机隔离板的主要作用是提供电力，同时把STM32单片机发出的相关信号传输到各个舵机。其中，PWM波的单项传递是通过光电耦合器完成的，光电耦合器能够阻断由舵机回流的电流，从而保护STM32单片机的安全工作。控制器选用OpenCV摄像头，用来收集物体和机械臂的图像传输给STM32单片机，STM32单片机通过图像处理算法来整合、分析相关信息，从而计算出机械臂所要运动的距离，再通过PID算法调整PWM波，通过6路舵机隔离板后控制舵机的角度，从而使机械臂完成精准的抓取工作。

（3）搭建辅助行动及搬运机械护理床。该医疗护理床可以根据被护理人的个人需要，进行整床高低、靠背仰角、腿部取值、床头角度的调节，还可以进行将床体变形成为椅子等操作。而床形态的变化是通过八个电机分别带动不同的机械结构完成的，八个电机分别调节靠背、大腿、小腿、足部、床前部、床后部等多方位需求，直线电机选取医疗用直线推杆，根据被护理者身体的受力程度选取相应动力，由继电器进行伸缩调节。床体转换角度通过安装在特定位置的角度传感器调节，该角度是通过人体工学模拟的，能够极大提高床的舒适性。同时配合全方位Mecanum轮底盘，可实现无大幅度动作运动和精准定位移动。