基于Arduino的抗疫機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了基于Arduino的抗疫機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，該機(jī)器人具有自動(dòng)消毒、運(yùn)送物品、自動(dòng)避障等功能，從而實(shí)現(xiàn)減輕疫情期間相關(guān)工作人員的工作壓力，提高工作效率，減少人員接觸，避免交叉感染的目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 ?設(shè)計(jì) ?方法

本文參考了市場(chǎng)上各類抗疫智能機(jī)器人，提出了一種抗疫機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，以期在疫情期間節(jié)省醫(yī)護(hù)人員時(shí)間精力，將其解放至更需要專業(yè)技能的領(lǐng)域，通過機(jī)器人應(yīng)用顯著改變醫(yī)護(hù)人員應(yīng)對(duì)傳染性疾病的方式，成為技術(shù)為善和技術(shù)賦能醫(yī)療的重要顯現(xiàn)。[1]

1.設(shè)計(jì)思路及功能分析

疫情期間醫(yī)院的工作環(huán)境往往復(fù)雜狹窄，機(jī)器人首先需要有一套靈活的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，這是順利實(shí)施作業(yè)的前提，其次，機(jī)身的整體體積也應(yīng)適應(yīng)工作環(huán)境，需要把機(jī)身平臺(tái)利用到最大化以減小其體積，另外還要考慮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性及反復(fù)性。基于以上三個(gè)設(shè)計(jì)思路，本文所設(shè)計(jì)的抗疫機(jī)器人選擇了運(yùn)動(dòng)方式更加靈活的麥克納姆輪，其全向移動(dòng)的特性可以讓機(jī)器人在作業(yè)空間有限、狹窄復(fù)雜的環(huán)境更加高效的作業(yè)，通過加裝機(jī)械手臂來遞送患者或醫(yī)護(hù)人員需要的物品，同時(shí)安裝消毒裝置，可自動(dòng)地對(duì)消毒區(qū)進(jìn)行消毒，并且加入傳感器實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃行進(jìn)路線和規(guī)避障礙物。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，使用麥克納姆輪作為運(yùn)動(dòng)底盤與螺桿連接固定亞克力板搭建的模式進(jìn)行整體硬件電路布局，以杜邦線進(jìn)行電路連接，不僅可以使各個(gè)模塊得以重復(fù)利用，減少了電路焊接，便于系統(tǒng)檢修，降低了設(shè)計(jì)和制作成本，而且提高了使用安全性。

2.1主控芯片

Arduino UNO R3是采用AVR單片機(jī)ATmega328P作為主控制器，擁有14路數(shù)字IO出口，32 KB Flash 內(nèi)存并且支持USB、DC插頭、DC輸入端3種供電方式的開發(fā)板。可采用圖形化編程軟件Mixly 搭建開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)軟件編程控制。

2.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由麥克納姆輪和直流減速電機(jī)組成。

麥克納姆輪的全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸中心輪，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到另一個(gè)機(jī)輪轉(zhuǎn)向力上，依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些向力最終合成在需要的方向上，從而產(chǎn)生一個(gè)合力矢量，使得整個(gè)小車在矢量方向上能自由地移動(dòng)而不改變機(jī)輪自身的方向。[2]本設(shè)計(jì)方案采用4個(gè)直徑80mm的麥克納姆輪進(jìn)行組合，一方面可以靈活的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，另一方面能夠承受較大的重量，保證運(yùn)輸物品過程中的穩(wěn)定性。

直流減速電機(jī)是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上加上配套齒輪減速箱，從而提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩，這很好的滿足了麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)全向移動(dòng)的需求。

2.3 物品運(yùn)送系統(tǒng)

采用3個(gè)直流舵機(jī)和一個(gè)機(jī)械爪組成一個(gè)機(jī)械手臂，舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路組成。通過程序控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的抓取，并將物品放置在機(jī)器人的置物臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的運(yùn)送功能。

2.4消毒系統(tǒng)

本系統(tǒng)依據(jù)電動(dòng)噴霧的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過可充電電池輸出電力驅(qū)使電動(dòng)部件給消毒防疫藥液施加壓力，在正壓力作用下，經(jīng)過噴嘴霧化后，霧滴直接噴施于消毒空間或消毒部位，在噴管處連接一個(gè)直流舵機(jī)控制噴嘴的角度，從而實(shí)現(xiàn)多角度大范圍的藥液化學(xué)滅菌消毒。

2.5自動(dòng)避障系統(tǒng)

針對(duì)疫情期間醫(yī)院復(fù)雜的工作環(huán)境，通過在機(jī)器人四周安裝光電傳感器，來實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的障礙物探測(cè)。光電傳感器是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，通過同步回路接通電路，從而檢測(cè)物體的有無，通過將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。通過程序設(shè)定安全距離，一旦機(jī)器人檢測(cè)到障礙物進(jìn)入安全距離，立即調(diào)整行駛路線，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的功能。

2.6 手動(dòng)操作系統(tǒng)

為了讓機(jī)器人在特殊環(huán)境下更加精確的實(shí)施作業(yè)，在機(jī)器人機(jī)身中部裝載的5.8G圖像傳感器和攝像頭實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人的工作環(huán)境，并且圖像有效傳輸距離可達(dá)2500米，醫(yī)護(hù)工作者還可以通過佩戴圖傳眼鏡以第一人稱視角查看機(jī)器人的工作情況，并且可以通過使用2.4G無線遙控將機(jī)器人工作模式切換為手動(dòng)，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人工作，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)控制輕松切換的目的，滿足了對(duì)特定情形下機(jī)器人工作高精度的需求。

3.測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的抗疫機(jī)器人經(jīng)過電路測(cè)試后，進(jìn)行了使用場(chǎng)景的模擬實(shí)驗(yàn)，在自動(dòng)模式下可以運(yùn)送約500g左右的物品，采用三節(jié)18650鋰電池供電，電池可反復(fù)充電并且方便替換，為續(xù)航能力提供了保障，續(xù)航里程可達(dá)700米，在電量充足的條件下行駛速度可達(dá)1.5m/s，消毒罐容積500ml，能夠滿足50平米左右房間的消毒需求。對(duì)于距離小于0.5m的障礙物能夠有效的避開，并且重新選擇行進(jìn)路線。測(cè)試者在手動(dòng)模式下對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作的有效半徑為15米左右，能夠滿足大部分使用場(chǎng)景的需求。

4.市場(chǎng)分析及推廣前景

本設(shè)計(jì)將配送和消毒功能相結(jié)合，并且在靈活性上優(yōu)于很多同類機(jī)器人，而自動(dòng)消毒系統(tǒng)經(jīng)過不斷地調(diào)試也更加智能化。機(jī)器人所搭載的圖像傳感器和無線遙控可以讓醫(yī)護(hù)工作者能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，非常適用于通過空氣、接觸傳染的隔離區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，這些功能以及靈活的運(yùn)動(dòng)方式很好應(yīng)對(duì)目前疫情高發(fā)的復(fù)雜的環(huán)境。

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人制作成本較低，功能完善、全面。經(jīng)過不斷地技術(shù)創(chuàng)新，以及工業(yè)化、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)生產(chǎn)后，能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求并實(shí)現(xiàn)推廣，從而在抗擊新冠病毒的戰(zhàn)役中，扮演好“智能苦力”的角色。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1] 程林.“智能苦力”：抗疫機(jī)器人倫理思考.四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）.2020（09）：20-26.

[2] 百度百科.麥克納姆輪.

[3] 程林.“智能苦力”：抗疫機(jī)器人倫理思考.四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）.2020（09）：20-26.

韋曉燕（1990——），女，壯族，廣西柳州人，柳州城市職業(yè)學(xué)院助教，學(xué)士，研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。柳州城市職業(yè)學(xué)院 ，545036。