基于PLC+4G的病案庫房遠程巡查機器人研發

摘 要：研發一款遠程視頻巡查庫房中病案霉變痕跡、蟲害痕跡及庫房滲水痕跡的機器人。機器人采用四輪行走形式，2個后輪由2臺步進電機分別驅動。機器人上安裝垂直升降絲桿，其滑塊上安裝水平伸縮絲桿，一臺筒形病案檢查攝像機安裝在水平絲桿滑塊上，2根絲桿均由步進電機驅動，另有2臺360°球形攝像機保證機器人行走無盲區。設計用戶手機端HMI，點擊HMI上按鈕，通過物聯網-4G-4G網關數據鏈向機器人上的PLC發出指令，控制機器人把病案檢查攝像機移動到檢查位置。3臺攝像機視頻通過另一條4G-物聯網數據鏈傳到用戶電腦屏幕顯示。實驗驗證遠程控制系統及信號傳輸數據鏈切實可行，可在電腦上遠程視頻察看庫房病案存儲狀況，確保病案安全。

關鍵詞：病案安全；PLC；機器人；物聯網；數據鏈

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0023-04

Abstract： A robot for remote inspection of medical records in a warehouse for signs of mold， insect infestation， and water seepage is developed. The robot adopts the form of four-wheel walking， and the two rear wheels are driven by two stepper motors respectively. A vertical lifting screw is installed on the robot， a horizontal telescopic screw is installed on the slider， a barrel-shaped medical record examination camera is installed on the horizontal screw slider， and both screws are driven by stepper motors. another two 360° spherical cameras ensure that the robot walks without blind areas. This paper designs the HMI of the user's mobile phone， and one needs to click the button on the HMI， send instructions to the PLC on the robot through the data link of the Internet of things-4G-4G gateway， and control the robot to move the medical record inspection camera to the inspection position. The videos of the three cameras are transmitted to the user's computer screen through another 4G-Internet of things data link. The experimental results show that the remote control system and signal transmission data chain are feasible， and the storage status of medical records can be viewed remotely on the computer to ensure the safety of medical records.

Keywords： medical record security; PLC; robot; Internet of things; data link

目前病案有2種形式：紙質病案、無紙化電子病案。多數醫院是2種病案形式并存，即使紙質病案掃描數字化后，也保留紙質病案[1]。依據《醫療機構病歷管理規定》要求，醫院必須保留患者病案30年。一個綜合三甲醫院，年住院病人超過10萬人次，積累病案數量龐大，院區難有足夠庫房，所以常把病案異地存儲或者外包給第三方公司存儲，醫院需定期派人去庫房檢查病案是否霉變及蟲害侵襲，或者庫房是否出現滲水等有害事件，病案存儲管理技術措施有待提高。因此本文擬研發一款遠程視頻巡查病案庫房機器人，可以在醫院辦公室電腦遠程視頻察看庫房內病案存儲完好狀況及庫房狀況。

1 機械結構與控制及信號傳輸系統

1.1 機器人機械結構

目前工業巡查機器人品種較多，可用于水下作業[2-3]、管道內作業[4]、高空作業[5]及庫房巡查[6]等，機械結構[7]與控制方式[8]因使用場合不同而存在差異。根據病案庫房結構特點及主要任務是視頻巡查病案霉變痕跡、蟲害痕跡，以及庫房地板、墻壁、天花板滲水痕跡，采用機器人機械結構如圖1所示。

機器人采用四輪行走結構，2個后輪分別由單獨的步進電機1驅動，2個后輪轉速相同，可實現直行前進或后退；2個后輪轉速不同，可以實現轉向移動。4G球形攝像機7與8可360°轉動，保證行走無盲區及拍攝到地板、天花板及墻壁面。步進電機驅動的垂直升降絲桿套件9安裝在機器人底板上。步進電機驅動的水平伸縮絲桿套件6安裝在升降絲桿的滑塊上，跟隨升降絲桿上升或下降。4G筒形病案攝像機11安裝在水平絲桿的滑塊上，隨水平絲桿的運動實現伸出或后縮。照明燈10安裝在攝像機旁邊，照射到病案上讓視頻更清晰。絲桿滑塊移動到端部位置或者機器人接近障礙物，會觸發限位傳感器2。4臺步進電機分別由4個驅動器12驅動，電池5提供電力，4G無線網關4及可編程序控制器PLC 3安裝在底板上。

1.2 控制及信號傳輸系統

機器人遠程控制及信號傳輸系統如圖2所示，特點是有2條信號數據鏈：3臺攝像機視頻信號通過“4G-攝像機云平臺-物聯網”數據鏈進入用戶電腦屏幕播放，攝像機7與8是360°全景攝像機，其鏡頭方向在電腦端設定，通過這條數據鏈直接向攝像機發送鏡頭轉向指令；機器人控制信號則是從用戶手機發出，通過另一條“4G或物聯網-網關云平臺-4G-4G網關”數據鏈進入PLC，控制機器人完成各種操作，同時機器人的運行參數也通過這條數據鏈反饋到手機。上述2條數據鏈雙向傳輸信號。電腦屏幕主要負責視頻顯示，手機屏幕主要負責機器人控制，這樣設置的優點是電腦屏幕大，可以清晰察看病案霉變痕跡、蟲害痕跡以及庫房地板、墻壁、天花板滲水痕跡等庫房狀況。

PLC是控制系統的核心，PLC依據程序及用戶指令將控制信號輸入4臺步進電機驅動器，從而控制步進電機的轉速及轉動方向，實現機器人的行走控制以及病案攝像機的升降與左右伸縮，把攝像機移動到需要的位置。12個限位傳感器與PLC的輸入端相連，觸發限位傳感器會激發PLC啟動保護程序，防止機器人超限運動從而保證作業安全。

2 控制及信號傳輸試驗系統的建立

機器人的機械結構顯然是可行的，但是PLC控制程序、手機上的人機界面HMI涉及的部件多，控制信號及視頻信號傳輸數據鏈牽涉到第三方物聯網及云平臺，所以需要在實驗室建立控制與信號傳輸試驗系統并測試，以檢驗控制程序的可靠性、信號傳輸的暢順性。

控制與信號試驗系統主要硬件是：①某型號PLC，16路開關量輸入，16路晶體管輸出，485/R232通信接口；②某型號4G無線網關，兼有WAN/LAN口，其485/ R232通信接口具有與PLC交換數據功能；③2臺機器人行走步進電機及其驅動器，步進電機型號是42BYGHxxxx，驅動器型號是TB6xxx；④2套包含步進電機的雙光軸滾珠絲桿，長度為600 mm，型號GGPxx，一套垂直安裝，一套水平安裝，步進電機型號是57HSxxxx，驅動器型號是DM5xx；⑤3臺某廠商網絡攝像機，其中2臺為360°全景攝像；⑥一個24 V DC開關電源及12個電容式限位傳感器。PLC與步進電機驅動器、限位傳感器的典型連接如圖3所示。PLC與4G網關的連接采用串口RS232，對4G網關及PLC均設置串口通信波特率為9 600 bps，即可實現PLC與網關之間數據交換。

3 PLC控制程序及HMI的編寫

PLC程序以梯形圖形式編制，使用脈沖輸出命令PLSY輸出步進電機轉速脈沖。機器人前進右轉的控制程序如圖4所示，Y0信號驅動右后輪，Y1信號驅動左后輪，左后輪轉速是右后輪四倍，實現向右轉向。病案攝像機上下自動掃描控制程序如圖5所示，Y3信號驅動垂直絲桿步進電機，X12、X13分別是垂直絲桿上端、下端限位傳感器，觸發X12、X13就會使步進電機反方向轉動，從而實現攝像機自動上下掃描病案。圖4與圖5中的其他符號說明如下：Y10、Y11及Y13是步進電機反向轉動使能信號，M0、M1、M5、M10、M60及M61對應用戶手機HMI上的操作按鈕（圖6），其他M繼電器是輔助繼電器。

人機界面HMI是用戶與機器人交流的操作平臺，共有2個：一個是用戶電腦屏幕HMI，負責顯示病案察看視頻、庫房狀況視頻、機器人周邊視頻及操控攝像機7與8的鏡頭方向，另一個是用戶手機HMI，負責操控機器人的前進、后退、轉向以及病案攝像機11的升降、左右伸縮，這2個HMI都是在硬件廠商提供的框架軟件基礎上二次開發編寫。手機HMI如圖6所示，包含一系列按鈕及機器人運行狀態指示燈；通過編制手機小程序建立HMI與4G網關的通信，從而實現HMI按鈕指令可以上傳到機器人上的PLC，進而控制機器人運動及病案攝像機運動；同時機器人運行狀態也可以反饋到手機HMI。電腦屏幕HMI視頻播放分區如圖7所示，每個區域播放一臺攝像機視頻，預留一個小區備用，各個分區的視頻可以根據需要調換，例如，如果要觀察病案完好狀況，就把病案攝像機視頻調到大區域播放以方便察看。

4 試驗結果

機器人運動控制方面，打開手機上的小程序，調出手機HMI控制臺，如圖6所示，按壓自動掃瞄按鈕，垂直絲桿滑塊可以上下循環運動，觸發升降方向切換的是垂直絲桿上、下端限位傳感器信號。按壓自動直行按鈕，機器人2個后輪同時、同轉速正轉或反轉，觸發轉動方向切換的是機器人底板前、后限位傳感器信號。這個試驗結果表明病案攝像機可以自動掃描堆放在置物架上的病案。按壓右轉前進按鈕，左驅動輪轉速就是右輪的4倍，可實現向右前方轉向。委托不同人員操作測試，隨機按壓HMI上面的按鈕，步進電機的反應與控制臺的標注一致，手機HMI與PLC控制程序之間存在唯一對應關系，機器人按規定的指令工作，不存在按鈕之間的沖突現象，限位傳感器起到限位作用，控制信息傳輸穩定。視頻查看方面，憑賬號登陸電腦HMI，即可以看到3個攝像機實時視頻，如圖7所示，視頻傳輸清晰、視頻滯后不明顯。

5 結束語

通過試驗測試，驗證了機器人的運動控制系統、4G+云平臺+物聯網信號傳輸數據鏈、PLC控制程序、HMI等設計正確，而機械構造所需的部件，其制造技術已很成熟，因而病案庫房遠程視頻巡查機器人技術上可行，可在辦公室遠程查看庫房中病案存儲狀況，提高了病案庫房管理技術水平。目前的研發工作強調電腦屏幕負責顯示3個攝像機視頻，手機負責控制機器人運動。事實上，在電腦上也可以同時控制機器人運動、手機也可以顯示視頻，但視頻顯示面積偏小，不利于觀察病案狀況，今后可深入探討此問題。

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