医疗服务机器人控制系统设计

    祝前峰?陆荣鑑?张建红?谷雨

    摘 要：智能机器人是机电一体化方向的重要研究对象，本文研究的医疗服务机器人不仅具有广阔的应用前景，而且对社会发展有积极的促进作用。控制系统的设计是医疗服务机器人实现各模块功能的关键，此次设计的医疗服务机器人控制系统以dsPIC33EP256MU810为核心，并分别进行软硬件设计。首先，结合实际情况，设计以dsPIC33EP256MU810为核心的医疗服务机器人控制板，其功能模块包括电源模块、电机驱动模块、舵机模块、循迹传感器模块、电子罗盘模块、测距传感器模块等;其次，完成医疗服务机器人的安装后，对传感器的布局进行分析与选择，并对路径规划与循迹算法进行数学分析和研究;最后，从软件设计的角度分析医疗服务机器人控制系统，如开发环境、开发工具、主程序的主要流程、重要模块的初始化等。

    关键词：医疗服务机器人控制系统;硬件设计;软件设计;路径算法研究

    0 引言

    中国版“工业4.0”规划《中国制造 2025》指出，中国发展亟须提升信息化水平，提高与工业的融合程度，我国制造业转型升级、创新发展将迎来重大机遇，为机器人技术发展提供了更广阔的舞台，智能化机器人的研究将成为我国产业建设的重要对象。[1]

    我国机器人研发与应用正处于起步阶段，工业机器人仍然是在仿制，难以创新，缺乏核心技术与核心竞争力。虽然我国在机器人机械学的研究领域取得了不少重大研究成果和突破，甚至一些研究成果已经达到或超过国际同等水平，但不得不说我们仍然不能系统、全面、科学地进行机器人整机设计，关键零部件如电机等技术十分不成熟，所以现在国内大部分机器人仍然需要从国外进口。

    世界上第一台医疗服务机器人Helpmate诞生于TRC公司，它于1990年研制成功并对外出售，目前已在世界各地的几十家医院投入使用。Helpmate可以独立运动，它不需要辅助制导或者提前把路径规划好，当我们把循迹程序输入机器人之后，Helpmate可以完成很多工作，例如送病历、报表及信件，取送药品，运送医疗设备和器材，完成简单的换药工作等。

    通过研究机器人相关技术，学习专业课程知识，完成一套医疗服务机器人控制系统的设计、硬件电路的设计以及相关机械结构的设计，旨在应用于医疗服务行业，承担沿规定路线行进、躲避障碍物、问候病人、抓取药物、快速运送药物的功用。[2]发展医疗服务机器人，在行业中实行人机并用的模式，以医疗服务机器人部分替代24小时轮班护士，可以很好地实现医院人员的合理安排，减少医护人员的工作强度与压力，大大提高医护人员的幸福感与工作效率。

    1 整体结构概述

    医疗服务机器人主要应用于医疗服务行业，它所应具有的功用包括循迹、避障、定向行驶、抓取物品、运输物件、语音询问等。为实现以上功用，设计者需要考量其机械结构，如机械手的具体结构、车身的选择。机器人控制系统的设计，各类检测器件、传感元件的选型，尤其是控制板的硬件设计和软件设计更是难点也是重点。同时，合理的路径规划是实现机器人流畅行进的难点与核心所在。综合以上，为实现医疗服务机器人的功能，其功能模块包括测距模块、循迹模块、驱动模块、电子罗盘方向模块。采用PWM驱动来驱动直流电机，选用红外和超声波传感器来测距，选用三轴带SPI接口的传感器电子罗盘。

    2 机械部分方案

    机械手是医疗服务机器人的重要机械部分，为实现抓取物件的功能，从自由度的角度来看，6自由度机械手以及4自由度机械手是比较常见的两种机械手;从坐标系的角度来看，圆柱坐标系、直角坐标系、球坐标系均有应用。[3]6自由度机械手的灵活性更强，在工作空间内可以以多种角度灵活抓取物件，底座上的舵机对扭矩及功率要求较高，其灵活程度超过了医疗服务机器人的所需。4自由度机械手的灵活程度满足医疗服务机器人的需要，医疗服务机器人在高速行进时，机械手可以向后折叠，尽量将自身重心与车体几何中心重合，减少医疗服务机器人在行驶过程中的颠簸。

    機器人的末端执行器是一个安装在机器人手臂上或者移动设备，使机器人能够拿起一个对象，且具有传输、处理、夹持、放置和释放目标到准确的离散位置等功用的机构。[4]医疗服务机器人的夹取机构是直接和目标物件接触的机构，夹取物件的速度以及稳固程度直接决定了机器人完成任务情况的好坏，结构简洁、夹取稳定好的夹取机构是本医疗服务机器人的优先选择。

    本医疗服务机器人的总体方案从自由度、抓取机构的角度分析了多种机械手的优劣以及适合的应用场合，最终选取了适合本医疗服务机器人的4自由度机械手及齿轮连杆夹取机构。

    3 医疗服务机器人硬件设计

    本次医疗服务机器人硬件设计包括主控芯片选型、PLC控制板单元模块设计、驱动板模块设计和各类检测传感元器件选型等。其中，控制板模块包括电源模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、测距模块、声音模块、编码器模块、电子罗盘模块、循迹传感器模块等。医疗服务机器人的整体硬件设计，分模块对各硬件部分的设计思想、设计原理、所应用芯片功能进行了具体阐述，重点针对驱动部分，即电机驱动与舵机驱动的硬件设计，为减小信号不一致造成的车体一侧转速不一的情况，最终选用两路PWM控制的对应电路设计，应用大电流H桥的原理并设计了电机驱动板。重点是对循迹传感器的选型及布局，经过分析，选择安装了三组8路数字灰度传感器，每组灰度传感器间隔100mm，离地高度约30mm。调试尽量使三组灰度传感器的灵敏度保持一致，为循迹算法带来便利。

    4 路径识别算法总概

    医疗服务机器人使用灰度传感器作为循迹模块，灰度传感器对地面路况的判断主要是通过对灰度以及白度的区分。当对管照到白时，对管输出电压高于给定电压，比较器输出为高电平，即1;当对管照到黑的时候，此时对管输出的电压低于给定电压，比较器输出为低电平，即0。基于这个原理，可以提出一种比较常见的路径算法，通过I/O端口灰度传感器输出信号读入单片机，根据输入单片机端口的高低电平逻辑判断该灰度传感器是否处于路径标记线上方，经过三组灰度传感器组的共同判断，便可判断此时车身偏离路径线的程度，从而调速。[5]

    5 医疗服务机器人控制系统软件设计与实现

    MPLAB? IDE软件程序可以用于开发Microchip公司生产的单片机和数字信号控制器等。由于它提供了一个统一的集成“环境”来支持嵌入式单片机的代码开发，因此被称为集成开发环境（IDE）。[6]从以下几个角度说明医疗机器人控制系统软件设计，如开发环境、开发工具、主程序主要流程、几个重要模块的初始化，包括电机驱动模块、语音及拨码盘模块、循迹模块、舵机模块等，对其中的重要配置参数。

    6 结语

    当下，智能机器人是机电一体化方向的重要研究对象，本文所研究的医疗服务机器人不仅具有广阔的应用前景，而且对社会发展有积极的促进作用。本医疗服务机器人选用的主芯为Microchip公司的dsPIC33EP256MU810，3.3V供电保证芯片功耗较小，改进型哈佛结构使其运行速度快、集成度高，[7]医疗服务机器人对运动控制的要求基本可以得到满足，同时高速高性能MCU及CPU为复杂的控制算法、轨迹控制提供了硬件保证。

    参考文献：

    [1] 华豪.工业企业信息化的理论及实践探索[D].南京理工大学，2014.

    [2] 魏玮，吴冠杰.嵌入式单目机器人视觉检测及避障系统设计[J].计算机测量与控制，2014（11）：3487-3489.

    [3] 郑雪林.基于视觉伺服的仿人机器人智能抓取技术研究[D].东北大学，2013.

    [4] Ethem Toklu，Fehmi Erzincanli . Investigation of flow and vacuum lifting forcea non-contact on end effector for robotic handling of non-rigid material[J]. Scientific Researchand Essays，2011（29）：6152-6161.

    [5] M.Beauvais，C. Kreueher， S.Lakshmanan . Building world models for mobile Platforms using hetergenerous sensors fusion and temporal analysis[J]. In The IEEE Intelligent Transportation System97 Symposium，2005，12（6）：230-235.

    [6] Thomas Kibalo . Beginners Guide to Programming the PIC24/dsPIC33： Using the Microstick and Microchip C Compiler for PIC24 and[M]. CreateSpace Independent Publishing Plat，2014.

    [7] 倪福銀.基于DSP的智能遥控小车设计[J].计算机技术与发展，2012（03）：207-209+213.

    作者简介：祝前峰（1996—），男，研究生在读，主要从事机电一体化、嵌入式系统方向的研究。

    通讯作者：陆荣鑑（1964—），男，研究生，讲师，主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。