iCAREbot機(jī)器人

李玉杰，宋曉萌，宋凌寧，許力丹

1 作品簡(jiǎn)介

iCAREbot醫(yī)療垃圾自動(dòng)撿拾機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在醫(yī)院復(fù)雜環(huán)境下的靈活運(yùn)動(dòng)；

（2）設(shè)計(jì)能夠靈活抓取/放置物品的機(jī)械手系統(tǒng)；

（3）機(jī)器人自主規(guī)劃移動(dòng)路徑，在高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能夠自主規(guī)避障礙；

（4）機(jī)器人準(zhǔn)確識(shí)別常見(jiàn)醫(yī)療垃圾，如紗布、針筒、一次性用品等；

（5）服務(wù)機(jī)器人能夠與用戶進(jìn)行語(yǔ)音交互，完成一般指令；

（6）實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

（7）協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證機(jī)構(gòu)間相互配合；

（8）對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的校核計(jì)算，畫出對(duì)應(yīng)的三維及二維圖紙；

（9）對(duì)上述三維設(shè)計(jì)圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真模擬，檢測(cè)其可行性與穩(wěn)定性；

（10）對(duì)其進(jìn)行不斷優(yōu)化和完善；

（11）根據(jù)最終得到的數(shù)據(jù)和控制結(jié)果進(jìn)行模型搭建并調(diào)試。

機(jī)器人具體功能邏輯如圖1所示。

圖1 機(jī)器人功能邏輯圖

機(jī)器人實(shí)物如圖2所示。

圖2 機(jī)器人

2 工作原理

本機(jī)器人采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式，對(duì)軟硬件進(jìn)行了多層次的抽象。

系統(tǒng)最上層為HTPC層，運(yùn)行Windows10系統(tǒng)，運(yùn)行于其上的人機(jī)交互界面程序由C語(yǔ)言編寫，負(fù)責(zé)機(jī)器人各軟硬件資源的調(diào)度。

系統(tǒng)第二層為Arduino層，其上C++編寫的程序通過(guò)Serial Port協(xié)議與HTPC通信，可對(duì)各傳感器的細(xì)節(jié)操作進(jìn)行抽象。

系統(tǒng)第三層為多軸控制器層，該層通過(guò)虛擬串口與Arduino層相連，本質(zhì)上是以STM32為核心的單片機(jī)，負(fù)責(zé)響應(yīng)上層指令，并發(fā)出多路脈沖。

系統(tǒng)第四層為閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，通過(guò)普通I/O口響應(yīng)多軸控制板的指令，下與電機(jī)相連，統(tǒng)籌電機(jī)各相繞組的通斷。

系統(tǒng)第五層為物理層，該層由多個(gè)脈沖閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)車體及機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)。

本機(jī)器人的一大特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自主導(dǎo)航。選用UWB超寬帶定位、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方案，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)帶有移動(dòng)障礙物的室內(nèi)自主導(dǎo)航和避障。UWB超寬帶定位負(fù)責(zé)給出機(jī)器人的空間坐標(biāo)，激光雷達(dá)負(fù)責(zé)對(duì)場(chǎng)內(nèi)地圖進(jìn)行建模，以及對(duì)臨時(shí)移動(dòng)障礙物及時(shí)避障，慣性導(dǎo)航負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)以及視野盲區(qū)的偏差進(jìn)行修正彌補(bǔ)。程序運(yùn)行層圖如圖3所示，程序運(yùn)行流程如圖4所示。

圖3 程序運(yùn)行層圖

該機(jī)器人運(yùn)用了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可通過(guò)Python編寫的程序與C#編寫的人機(jī)交互界面溝通，也可與TensorFlow Object Detection API交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)視野內(nèi)常見(jiàn)物體的識(shí)別。識(shí)別完成后通過(guò)Python編寫的基于OpenCV的傳統(tǒng)視覺(jué)方案對(duì)識(shí)別出的物體進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并上傳物體名稱和空間坐標(biāo)至人機(jī)交互程序，由人機(jī)交互程序下達(dá)命令控制移動(dòng)機(jī)器人及機(jī)械手臂完成抓取等動(dòng)作。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

該機(jī)器人采用4個(gè)麥克納母輪組合的方式進(jìn)行移動(dòng)。移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。該底盤移動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的麥克納母輪（圖中標(biāo)注1）組成，4個(gè)輪子對(duì)稱的安裝在方形底盤架（圖中標(biāo)注2）四周。移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖6所示。

圖5 移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)原理圖

圖6 移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

在4個(gè)麥克納母輪呈正方形排布的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)。通過(guò)上位機(jī)程序協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的萬(wàn)向移動(dòng)。

4 市場(chǎng)前景

當(dāng)前智能機(jī)器人市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)潛力巨大。醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)在對(duì)醫(yī)療垃圾的撿拾與回收階段存在諸多問(wèn)題，因此需要智能機(jī)器人為其提供更多輔助作業(yè)。

國(guó)家政策的支持也為我們提供了發(fā)展空間。早在2003年，我國(guó)國(guó)務(wù)院就已頒布《醫(yī)療廢物管理?xiàng)l例》，用以規(guī)范醫(yī)療廢物的處置和回收；2004年，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局污染控制司和國(guó)家衛(wèi)生部醫(yī)政司編寫出版了《醫(yī)療廢物管理國(guó)家法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)》；2017年，國(guó)家衛(wèi)計(jì)委印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)醫(yī)療廢物管理工作的通知》。國(guó)家對(duì)于醫(yī)療垃圾管理和處置問(wèn)題的高度重視是我們研發(fā)的不竭動(dòng)力。