智能全方位醫療護理機器人設計思路探討

程鵬，臧琛，陳少東

（內蒙古工業大學內蒙古呼和浩特，內蒙古 呼和浩特 010010）

現階段，全球智能機器人行業發展迅猛。例如，2010年上海世博會上歐洲館的主題是“智能歐洲”，充分體現了西方發達國家對智能化技術及相關產品研發的重視程度。為了順應國際科技發展趨勢，國內正加快速度在醫療領域應用機器人等高科技產品。在一些發達國家，服務機器人被廣泛應用于醫療、商業、餐飲、家政等多個領域。但國內自主研發的機器人無量是數量還是質量上都相形見絀。據調查，國內每年進口醫療器械要花費上千億，其中醫用機器人花銷最大，僅一臺手術機器人售價高達2千多萬元。因此，加大對醫用機器人的設計研發力度尤為重要。

1 系統架構

結合當今一些較為前沿的科學技術，幫助減輕病人家屬護理壓力以及方便病人在困難時期能完成日常的行動，醫療護理機器人由此產生。為了能夠更加便捷的使用醫療護理機器人，其設計當中添加了一些便捷的功能和技術，本機器人可以進行零半徑轉彎，可以使它在轉動時四個輪體的方向共處在一個圓形中；路徑識別功能，可以自動辨別路面平整程度及其障礙物；準確定位功能，攝像頭與機械臂二者相互結合的定點指揮算法等一些核心技術。該機器人作為一款認為控制的高科技醫療設備，以stm32單片機作為主控，采用PID算法以及RFID射頻識別技術來規劃路徑，openCV視覺系統識別環境，輔助機器人避障識別目標等。能夠代替醫護人員進行查房、送藥、搬運工作，同時還可以對病人進行簡單的護理，還具備協助病人日常運動以及病后康復等功能。這一技術的運用不僅可以減輕醫院工作人員以及病人家屬的負擔，還能夠實現模擬醫生與護士對病人進行特殊的照顧，該技術的崛起能夠幫助醫療衛生事業面向高精尖科技發展。

2 硬件設計

（1）車體搭建，輪式無半徑轉彎：Mecanum輪主體的圓周并非由常見的輪胎構成，在其主體機構上含有眾多鼓形小輥子。它但從外表來看就像斜齒輪，鼓形輥子就像它的齒輪，從理論上來講輥子的外廓線與輪子的四周相重合，同時輥子可以任意轉動，輥子與輪二者之間的軸線大多呈45°。輥子包含三個自由度，不但可以獨自轉動，還能夠繞車軸轉動，同時能繞與地面的接觸點轉動。這就使輪體本身也形成了三個自由度，經過該處理，不但可以使驅動輪在橫向具有主動驅動能力，還能夠在縱向獲得自由移動的特性。當電動機為輪體提供動力后，輪體以常規方式順著垂直于驅動軸的方向運功，與此同時，車輪四周的輥子沿著各自的軸線自由旋轉。通過四個全角度輪的運動機構的車輪組合如圖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。直流電機獨立為每個輪提供動力。通過控制四個全角度輪形成所需組合，最終使機器人能夠全方位、多角度的自由移動。

4個全角度輪構成的全方位移動機構，運動極為靈活，同時使用便捷，通過在輪體上安裝傳感器，再調節好轉速和方向，便能夠輕松完成精確定位和軌跡跟蹤。

（2）智能機械臂協助抓取物塊。機械臂的主體是通過6個LF20 MG995舵機和特定金屬支架組建而成。控制設備可以調控6個舵機的方向，從而指揮機械臂。在控制裝置中，STM32單片機傳輸6路PWM波，在通過6路舵機隔離板，從而操控6個舵機。6路舵機隔離板的主要作用是提供電力，同時把STM32單片機發出的相關信號傳輸到各個舵機。其中，PWM波的單項傳遞是通過光電耦合器完成的，光電耦合器能夠阻斷由舵機回流的電流，從而保護STM32單片機的安全工作。控制器選用OpenCV攝像頭，用來收集物體和機械臂的圖像傳輸給STM32單片機，STM32單片機通過圖像處理算法來整合、分析相關信息，從而計算出機械臂所要運動的距離，再通過PID算法調整PWM波，通過6路舵機隔離板后控制舵機的角度，從而使機械臂完成精準的抓取工作。

（3）搭建輔助行動及搬運機械護理床。該醫療護理床可以根據被護理人的個人需要，進行整床高低、靠背仰角、腿部取值、床頭角度的調節，還可以進行將床體變形成為椅子等操作。而床形態的變化是通過八個電機分別帶動不同的機械結構完成的，八個電機分別調節靠背、大腿、小腿、足部、床前部、床后部等多方位需求，直線電機選取醫療用直線推桿，根據被護理者身體的受力程度選取相應動力，由繼電器進行伸縮調節。床體轉換角度通過安裝在特定位置的角度傳感器調節，該角度是通過人體工學模擬的，能夠極大提高床的舒適性。同時配合全方位Mecanum輪底盤，可實現無大幅度動作運動和精準定位移動。

3 結語

本次研究設計智能醫護機器人，極大解決了目前醫院的病護難題，解決眾多病人需求，作為嫁接醫生和病人的紐帶，本機器人致力于方便病人和醫生，幫助醫院接軌高智能領域，完成全自動化智能化改造。