基于PID控制的醫療廢物自動收集系統研究

江祎瓏，陳維娜，謝天豪，戴眾興，丁豪杰，胡興柳

（金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引言

醫療廢物桶是指裝有醫療機構在醫療過程中、預防保健以及其他醫療相關的活動中產生的具有傳染性、毒性或者其他危害性的廢物容器。醫療廢物共分5類，具體可以參見《國家危險廢物名錄》[1-3]。

現有的醫療廢物箱很少具有智能的自動裝車等功能，在裝車過程中需要大量使用人力和物力。在新冠疫情期間，這樣的危害尤其突出，處置不當很容易由于接觸傳染源而影響自身健康，進而造成二次傳染[4-5]。同時由于相關醫療物品使用量劇增，如何妥善處置這些廢物，也給醫療工作帶來了嚴峻的考驗。近年來，隨著“互聯網+”時代的快速發展，現代社會已經發展成為一個數據信息的時代，需要提升醫療服務的智能化和信息化水平，因此更為安全的醫療操作流程逐漸被人們所推崇[6-7]。

為了克服現有廢物箱沒有自動裝車定位等功能的缺點，本文開發了一種自動裝車式醫用廢物箱，通過對機械臂和智能廢物收集車的組合，實現醫用廢物的自動收集系統的模擬。該系統以自動化技術為基礎，通過綜合運用各類傳感器，結合通信網絡，從而達到智能回收醫療廢物的目的。該系統綜合運用了自動控制技術，同時為醫學自動化領域研究做鋪墊[8-9]。

1 系統結構組成

醫療廢物自動收集系統可以幫助醫療工作者回收醫用垃圾時避免直接接觸。以紅、綠、藍三色方塊為例，作為待回收的垃圾桶，機械車需實現定點停車，并使用機械臂將通過紅外傳感器檢測單的物塊按顏色裝入車體，完成操作后繼續行駛尋找下一目標。系統如圖1所示。平臺的硬件部分包括：醫用廢物車、智能傳感裝置、機械手以及醫療廢物箱等多個部分。

硬件系統以廢物收集車作為平臺，車體可以移動并實現遠程控制機械臂。硬件平臺的控制系統采用的是STM32處理器，作為主控系統，它負責控制車體的電機和舵機的運行。本系統還采用ARM9處理器處理語音信息指令并監測車體周圍狀態和環境。當使用者發出語音命令后，通過手機App經過網絡傳輸送入處理器內部，處理器進行語音識別，并進行指令翻譯。翻譯完成后，處理器將指令傳送給STM32單片機再轉換為機器指令，從而實現機械臂和廢物收集車的控制。系統由手機App上位機遠程控制部分和機械臂廢物收集車兩部分組成，如圖2所示。

圖2 系統結構組成

控制板包括兩個部分：基礎板（見圖3）；Arduino板和STM32板。控制板的正常工作電壓在6.4～8.4 V，供電采用的是AD/DC電源適配器，當電壓低于6.4 V時，蜂鳴器會發出報警信號，提醒使用者充電。

圖3 智能廢物收集車控制板

控制板上的USB接口供調試使用。總線接口與舵機相接，信號接收器端口與手柄信號接收器相接，使用者可通過手柄控制機械臂。中間的3.3 V，5 V端口是控制板給外接設備提供的電壓值。藍牙接口可接藍牙通信設備，然后通過手機連接控制機械臂。

2 系統控制算法

2.1 機械手臂控制算法

廢物收集車平臺是所有硬件搭建的基礎，因此需要該平臺具有自動調節能力，因此該系統選擇了最便捷的PID控制算法[10-11]。機械臂控制板如圖4所示。

圖4 機械臂控制板

PID調節是閉環自主控制調節，采用的控制方式分為模擬控制和數字控制。由于本系統是使用數字信號進行控制，因此，屬于數字PID控制范疇。數字PID控制包含很多方式，需要結合考慮系統參數進行確定。由于醫療廢物收集車的移動速度不會太快，硬件本身穩定性比較好，因此這里采用了增量式PID算法。

舵機是決定機械臂性能的重要因素之一。本系統中的舵機是用STM32單片機中的PWM信號進行控制的，根據PWM信號的空占比來改變舵機轉軸的位置。

機械手臂實現的流程如圖5所示，第一步，進行程序初始化，機器自檢和部件復位；第二步，控制模塊同時輸出多個電機脈沖信號及方向信號，驅動機械臂運動至指定位置；第三步控制執行末端獲取醫療廢物；第四步是通過機械手臂將醫療廢物放至指定位置；第五步,運行結束后整機復位。

圖5 機械臂實現流程

2.2 環境感知模塊設計

環境感知模塊使用的是紅外傳感器，其測距范圍是10～80 cm，是由一個紅外發射管和一個位置敏感檢測裝置以及相應的計算電路構成。

通過AD采樣試驗，發現AD采樣值與紅外傳感器測量的距離關系如圖6所示。從圖6中可以看出測量距離與采樣值之間成反比關系，而測量距離則與采樣值成正比關系，因此需要對其進行線性化處理。

圖6 AD采樣值與測量距離的關系

表1 紅外測距模塊線性化后測試結果（單位：cm）

2.3 無線遠程通信

本系統利用藍牙網絡來實現遠程通信，由手機App接收指令信息并通過網絡發送給STM32處理器，處理器再將機械臂周圍的環境狀態通過網絡返回給使用者。

系統在默認模式下，廢物收集車接收藍牙遙控指令，如果要其他的設備通過串口對收集車進行控制，需要先使用能串口控制端。如果使用遙控模式，收集車將接遙控指令。

2.4 伺服電機控制

廢物收集車行走是依靠車體左右兩邊的兩個伺服電機。與普通電機的工作原理不同，伺服電機的動力來源于不同頻率的脈沖。如圖7所示，當分別給定1.3 ms，1.5 ms，1.7 ms的脈沖時，電機進行正轉、靜止和反轉3種狀態。

圖7 伺服電機的工作脈沖

不同頻率的脈沖是由單片機處理器給出的。廢物收集車的轉彎即通過一個伺服電機轉動，另一個電機不轉或者反轉實現的。

3 系統調試與實驗結果

兩個步進電機分別驅動兩個車輪，設為主動輪，通過控制電機的轉速和轉向，以實現廢物收集車的前進、后退、轉彎等動作；兩個萬向輪為從動輪，保持車身平衡和輔助轉彎。其中，使用3種不同特征的物塊來代替不同類型的醫療廢物進行拾取測試（見圖8）。

圖8 系統調試

如表2所示，拾取物塊2的成功率明顯小于拾取物塊1和物塊3。檢查發現，中間傳感器的角度向左偏離7°，調整后再進行拾取。

表2 第一組實驗結果

如表3和表4所示，經調整后，機械手臂可以準確拾取物塊。不改變傳感器的角度，用上位機調整拾取角度再進行實驗。

表3 第二組實驗結果

表4 第三組實驗結果

機械手可以通過上位機的調試進行不同位置的物體拾取。機械手臂在紅外傳感器的幫助下，可以將不同位置的物體拾取至目標處。將機械手與智能小車相結合之后，機械手可以在行進中識別物體，并拾取至目標處，從而實現自動分類。

4 結語

本文研究了醫用廢物自動收集系統，設計并分析了系統的結構組成，研究了系統的控制算法。該系統以機械臂代替人力將廢物桶傳送上廢物車，完成操作后放置回原處。整個系統主要由傳感器接受外界數據并反饋給系統和機械臂完成動作，兩個部分協作完成。同時，廢物收集車還有巡線功能，可以脫離人工操作按既定的軌道運行。實驗表明，該系統能夠有效地進行醫療廢物的智能拾取和回收。它將聲、光、電、計算機等不同技術融為一體，在柔性化生產和智能工廠中得到廣泛的應用，具有運輸效率高、節能、工作可靠、安全性高等特點，也滿足了醫療領域智能化改造的需求。