智能化藥物運(yùn)輸機(jī)器設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：S202210146037

隨著我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)國(guó)內(nèi)自動(dòng)化藥房技術(shù)進(jìn)一步成熟，在國(guó)內(nèi)多家知名大型醫(yī)院成功應(yīng)用^[1]。自動(dòng)化藥房不僅能提高醫(yī)院藥房服務(wù)效率，而且能滿足醫(yī)院數(shù)字化的要求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)藥房的很多不足之處^[2]。針對(duì)實(shí)現(xiàn)藥房自動(dòng)化問(wèn)題，設(shè)計(jì)了智能化藥物運(yùn)輸機(jī)器。提高了工作效率，減輕了護(hù)士的勞動(dòng)強(qiáng)度^[3]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器主要由主控裝置，驅(qū)動(dòng)裝置，接收裝置，無(wú)線充電裝置來(lái)組成。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無(wú)線充電發(fā)射裝置及線圈示意圖

1.1 主控裝置

主控是由TC264 來(lái)完成。

1.2 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)是由DRV8701 驅(qū)動(dòng)模塊、有刷電機(jī)、編碼器組成，DRV8701 驅(qū)動(dòng)模塊控制有刷電機(jī)運(yùn)行，編碼器做到閉環(huán)pid 控制有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.3 接收裝置

接收裝置有HC05 藍(lán)牙模塊、ld3320 語(yǔ)音模塊、MT9V034 攝像頭、usart hmi 串口屏。HC05 藍(lán)牙模塊用來(lái)和電腦上插入的HC05 藍(lán)牙模塊進(jìn)行藍(lán)牙通信，以獲取電腦上傳來(lái)的信息。ld3320 語(yǔ)音模塊用來(lái)與病人及其家屬交流的，以獲取病人及其家屬傳來(lái)的信息。MT9V034 攝像頭用來(lái)檢測(cè)道路的，讓機(jī)器不會(huì)偏離航線，獲取道路信息，避讓行人。usart hmi 串口屏用來(lái)接收醫(yī)生和護(hù)士所需要傳遞藥品的信息。

1.4 無(wú)線充電裝置

無(wú)線充電裝置是由無(wú)線充電接收裝置、超級(jí)電容來(lái)組成。接通了直流電源的無(wú)線充電發(fā)射裝置通過(guò)功率半橋生成方波信號(hào)源給初級(jí)線圈，初級(jí)線圈耦合初級(jí)線圈能量，通過(guò)LCC 補(bǔ)償電路后整流濾波，再通過(guò)穩(wěn)壓器生成各路穩(wěn)定電壓儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，給機(jī)器供電。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制流程

該機(jī)器用usart hmi 串口屏用串口通信或是HC05 藍(lán)牙模塊用無(wú)線通信的方式獲取訂單信息，傳輸給TC264單片機(jī)，通過(guò)基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規(guī)劃進(jìn)行規(guī)劃最優(yōu)路徑，使用基于LCC 補(bǔ)償電路的無(wú)線充電收發(fā)裝置進(jìn)行充電，儲(chǔ)存在超級(jí)電容中。充足電后，MT9V034 攝像頭通過(guò)大津法和細(xì)化算法進(jìn)行循跡及避障，DRV8701 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)道路行駛，到底送藥終點(diǎn)處后，LD3320 語(yǔ)音模塊將事先通過(guò)電腦藍(lán)牙無(wú)線通信傳輸?shù)牟∪藸顩r告知病人及病人家屬。完成任務(wù)后回到起點(diǎn)，等待下次命令。

圖3 控制流程

2.2 工作流程

機(jī)器正常運(yùn)行之前，需導(dǎo)入地圖信息（機(jī)器人運(yùn)行時(shí)所在的樓層地圖)，導(dǎo)入病人的個(gè)人信息及病情狀況。已將運(yùn)送的藥品放入藥品框內(nèi)。

機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)，從車(chē)庫(kù)出發(fā)，需打開(kāi)機(jī)器人開(kāi)關(guān)，給單片機(jī)供電。待接收到藍(lán)牙無(wú)線通信來(lái)得知的運(yùn)行信息或是從串口屏上串口通信得知的運(yùn)行信息，自動(dòng)給無(wú)線充電發(fā)射裝置供電，機(jī)器開(kāi)始無(wú)線充電。超級(jí)電容電滿后，自動(dòng)關(guān)閉無(wú)線充電發(fā)射裝置，并計(jì)算最優(yōu)路徑，機(jī)器人開(kāi)始行駛，攝像頭查詢路況，實(shí)時(shí)控制機(jī)器動(dòng)向。待到底終點(diǎn)后，機(jī)器會(huì)等待。病人或病人家屬取走藥品，并向機(jī)器詢問(wèn)完病人的狀況后，按下回去按鍵，機(jī)器就會(huì)自動(dòng)回到藥房，將車(chē)子停入指定的車(chē)庫(kù)（車(chē)子尾部的無(wú)線充電接收裝置對(duì)準(zhǔn)無(wú)線充電發(fā)射裝置），并等待下一次命令。

圖4 工作流程

3 方案與核心算法

3.1 無(wú)線充電

機(jī)器上的部件由超級(jí)電容供電。相較于傳統(tǒng)電池供電，超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)在于啟動(dòng)快、效率高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。且超級(jí)電容能更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。優(yōu)化了傳統(tǒng)電池因低溫等外界條件失效而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

以傳統(tǒng)線圈直接耦合的方式進(jìn)行充電時(shí)，充電的效率近50% ~ 60%，為了節(jié)能起見(jiàn)，在無(wú)線充電的兩個(gè)線圈兩側(cè)各加上LCC 諧振電路（圖5）。在加裝上諧振電路后，效率接近80%，可見(jiàn)效率得到了明顯的改善。并且不會(huì)增加過(guò)多的成本。

3.1.1 無(wú)線充電方案規(guī)劃

當(dāng)藥房傳來(lái)信號(hào)時(shí)，開(kāi)關(guān)控制無(wú)線充電發(fā)射電路進(jìn)入工作模式，Q1 和Q2 在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下交替導(dǎo)通，在橋臂處形成150 kHz 方波功率源。再通過(guò)后邊的不對(duì)稱LCC 諧振網(wǎng)絡(luò)把150 kHz 的方波信號(hào)源轉(zhuǎn)換成正弦信號(hào)后通過(guò)線圈發(fā)射出去。

當(dāng)機(jī)器在車(chē)庫(kù)內(nèi)處于待命狀態(tài)并且接收到電能時(shí)，整機(jī)的電源電路開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。首先，線圈接收到的電能經(jīng)接收部分的LC 接收網(wǎng)絡(luò)后，先經(jīng)過(guò)整流器整流為直流電，再使用多路穩(wěn)壓電源為3.3 V、5 V 等電壓，從而滿足整機(jī)的供電需求。電容1 次充電應(yīng)略大于跑1 次全程的電能，故需要選用較大的超級(jí)電容器。

3.1.2 方案圖

圖5 基于LCC補(bǔ)償 電路的無(wú)線充電的大體電路圖

3.1.3 參數(shù)計(jì)算

輸出負(fù)載：R_L=10 Ω；對(duì)應(yīng)全橋整流

工作頻率：f=150 kHz

發(fā)送線圈電感：L_p =29 μH

兩個(gè)線圈之間的互感：M₁₂=9.5 μH

功率輸出： P=50 W

傳輸效率：η=0.8

半橋MOS 工作電壓：U_bus=24 V

假設(shè)輸出功率： P_out = 50 W

工作電壓：U_bus = 24 V 。

對(duì)應(yīng)的基波的有效值：

圖6 方波以及對(duì)應(yīng)的基波峰值

計(jì)算需要用到如下公式：

計(jì)算出的T型LCC網(wǎng)絡(luò)有關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示：

通過(guò)程序計(jì)算出的數(shù)據(jù)如圖7。

圖7 無(wú)線充電LCC部分詳細(xì)參數(shù)

3.2 識(shí)別路況

機(jī)器識(shí)別路況的問(wèn)題主要為循跡和避障，為解決這個(gè)問(wèn)題，使用大津法進(jìn)行二值化處理去除燈光的影響，再進(jìn)行在選定的范圍內(nèi)對(duì)其用細(xì)化算法，得出中線，讓機(jī)器按照中線的坐標(biāo)去行駛，途中若在另個(gè)范圍內(nèi)識(shí)別到體積大于設(shè)定值，機(jī)器就會(huì)停下等待。

3.2.1 大津法

假設(shè)圖像閾值為T，小于T 的像素為目標(biāo)，且目標(biāo)部分像素點(diǎn)占圖像比例為w₀, 平均灰度值為u₀, 而背景部分的像素點(diǎn)占圖像比例為w₁, 平均灰度值為u₁。則圖像總的平均灰度值為u^[3]。簡(jiǎn)化一下，可以得到類(lèi)間方差g。

大津法灰度后，圖像展示如圖8。

3.2.2 細(xì)化算法及避障

為了選取圖像中線坐標(biāo)組來(lái)作為循跡的線，采用細(xì)化算法對(duì)圖像處理。

紅框是循跡用的視圖范圍，藍(lán)框是避障的試圖范圍。細(xì)紅線是細(xì)化算法后的中線。

避障是利用該藍(lán)框內(nèi)面積大于預(yù)定值，就停止來(lái)進(jìn)行避障。

圖9 使用細(xì)化算法前后的展示

3.3 人機(jī)交互

3.3.1 串口屏

為了方便機(jī)器與醫(yī)生之間的任務(wù)傳達(dá)，設(shè)計(jì)了串口屏。

使用usart hmi 智能串口屏, 主顯示頁(yè)面如圖10。

觸屏點(diǎn)擊工號(hào)登錄，可以進(jìn)入賬號(hào)密碼的界面，輸入完正確的賬號(hào)密碼后會(huì)進(jìn)入使用界面，使用界面如圖11。

圖11 工號(hào)登錄后的使用界面

其中觸屏點(diǎn)擊庫(kù)存查詢，就可以查看庫(kù)存；觸屏點(diǎn)擊任務(wù)查詢，就可以查看訂單情況；觸屏點(diǎn)擊修改訂單，就可以刪除已經(jīng)下達(dá)的未執(zhí)行的訂單；觸屏點(diǎn)擊配送下單，就可以下達(dá)訂單，它的效果如圖12。

圖12 下達(dá)訂單的使用界面

3.3.2 語(yǔ)音對(duì)話

考慮到與病人、病人家屬的交流時(shí)，病人往往并不能很便利使用串口屏與機(jī)器交流，為此添加了語(yǔ)音對(duì)話功能，使用的是ld3320 語(yǔ)音模塊。

病人和病人家屬可以需先通過(guò)說(shuō)出設(shè)定后的固定詞語(yǔ)喚醒機(jī)器人，例如“你好，悠悠”之類(lèi)的喚醒詞，機(jī)器就會(huì)被喚醒，再說(shuō)出“查詢病人信息，姓名小紅”，機(jī)器就會(huì)說(shuō)出最新錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中的病人小紅信息。

在機(jī)器被喚醒后，30 s 內(nèi)若無(wú)再接收到信息也會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

3.4 基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人的“大腦”^[4]。在醫(yī)院這種復(fù)雜的場(chǎng)景下，往往會(huì)存在許多的障礙物，如墻壁，座椅等，如果不采用規(guī)劃路徑，可能會(huì)出現(xiàn)繞著障礙物行走的情況出現(xiàn)，同時(shí)也為了能更快速地將藥物送到主治醫(yī)生或病人的手上，采用路徑規(guī)劃是很有必要的。

3.4.1 導(dǎo)入地圖

地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)，是按照機(jī)器人自身傳感器搜索的障礙物信息，將機(jī)器人周?chē)鷧^(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格空間( 如自由空間和限制空間等)，計(jì)算網(wǎng)格空間的障礙物占有情況，再依據(jù)一定規(guī)則確定最優(yōu)路徑^[5]。該機(jī)器采用了基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規(guī)劃。柵格法是將機(jī)器人周?chē)臻g分解為相互連接且不重疊的空間單元^[7]。在機(jī)器上添加n*m 的矩陣地圖，數(shù)值上用-1 表示障礙物，0 表示空地，然后選擇起點(diǎn)i 與終點(diǎn)j 的各自坐標(biāo)。

3.4.2 路徑選擇

每個(gè)螞蟻都會(huì)隨機(jī)選擇1 個(gè)城市作為其出發(fā)城市，并會(huì)儲(chǔ)存這個(gè)路徑記憶向量，用來(lái)存放該螞蟻依次經(jīng)過(guò)的城市。螞蟻在路徑的每一步選擇中，都是按照1 個(gè)隨機(jī)比例規(guī)則去選擇下一個(gè)要到達(dá)的城市。隨機(jī)概率按照式（11）來(lái)計(jì)算的：

I,j 分別為起點(diǎn)和終點(diǎn)；

γ_ij(t) 是時(shí)間t 內(nèi)由i 到j 的信息素強(qiáng)度；

δ_ij是能見(jiàn)度，i，j 兩點(diǎn)間的距離的倒數(shù)；

allowed_k 為尚未訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)集合；

αβ是信息素和能見(jiàn)度的加權(quán)值；

式（11）用于計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)到每個(gè)可能的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率。分子是信息素強(qiáng)度和可見(jiàn)度的冪乘積, 而分母則是所有分子的和值^[6]。

3.4.3 計(jì)算最短距離

將前面所儲(chǔ)存的每個(gè)路徑向量進(jìn)行計(jì)算，算出距離，并在循環(huán)下一一對(duì)比，得出該迭代次數(shù)下的最短路徑，并保存在min 中。

3.4.4 更新信息素

蟻群在每次經(jīng)過(guò)的時(shí)候都會(huì)留下信息素，1 個(gè)螞蟻所攜帶的信息素為1，它所經(jīng)過(guò)的每一個(gè)長(zhǎng)度單位下都會(huì)平均地留下信息素，但同時(shí)信息素會(huì)隨著時(shí)間的變化按所設(shè)定的ρ 蒸發(fā)。而螞蟻的選擇路徑的概率也會(huì)被信息素所影響，所以隨著迭代次數(shù)D 的不停增加，最終所有的螞蟻都只會(huì)走那條最短路徑。M 為螞蟻個(gè)數(shù)，可以得出，在此次迭代中，實(shí)際上揮發(fā)后的信息素量加每只螞蟻留下的信息素量是螞蟻行走距離的倒數(shù)，如式（12）

   （12）

的計(jì)算可以采用貪婪算法獲取一個(gè)路徑值cn，如式（13）

3.4.5 得出結(jié)果

采用以上公式在matlab 中進(jìn)行了仿真繪圖，得到圖13模擬最短路徑線路圖和圖14 代最短路徑對(duì)比圖。

圖13 模擬最短路徑線路圖

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

圖14 各代最短路徑對(duì)比圖

得出結(jié)果后，會(huì)通過(guò)該最短數(shù)組集判斷得出每一個(gè)岔路口怎么轉(zhuǎn)為才為最短路徑。并已數(shù)組的形式記錄。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 實(shí)物圖

圖15 實(shí)物圖

4.2 無(wú)線充電性能測(cè)試

充電完成測(cè)試：檢測(cè)充電是否結(jié)束，接通電源開(kāi)始充電后檢測(cè)紅燈和藍(lán)燈是否同時(shí)亮，若同時(shí)亮，表示正處于充電狀態(tài)；充電完成后，藍(lán)燈滅，僅紅燈亮，表示充電完成。

將小車(chē)放置在起點(diǎn)，接通電源充電，60 s 時(shí)斷開(kāi)電源，小車(chē)自行啟動(dòng)，沿引賽道行駛。小車(chē)軌道內(nèi)置刻度線，可測(cè)量小車(chē)行駛距離。

4.3 路徑規(guī)劃性能測(cè)試

變換起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置，記錄計(jì)算出最多路徑的迭代次數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于TC264 核心板，使用無(wú)線充電裝置完成供電，再配合HC05 藍(lán)牙模塊、ld3320 語(yǔ)音模塊、MT9V034攝像頭、usart hmi 串口屏DRV8701 驅(qū)動(dòng)模塊等設(shè)計(jì)了智能化運(yùn)送藥物機(jī)器，能自主完成無(wú)線充電，并規(guī)劃路徑，完成從病房運(yùn)送藥物到病人處，能夠通過(guò)藍(lán)牙從計(jì)算機(jī)處獲得運(yùn)送任務(wù)，并且具有避障，對(duì)話等輔助功能。基本上可以做到正確運(yùn)送，且效果穩(wěn)定。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2023年6月期）