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全自动取送药机器人的设计

2023-08-24 30 上传者：管理员

摘要：基于减少医护人员工作量，避免人员交叉感染的目的，设计了一种全自动取送药机器人，主要实现在无人干预下完成自动取送药并安全返回药房，该机器人能设置并自动识别相应的病房号，在检测到装载药物后，会自动向对应病房运送药物，检测到药物被取走后自动返回药房。实现了医务人员与病人的全程无接触配送药物，降低了交叉感染的风险，节省了人力成本，应用前景十分广泛。

关键词：
全程无接触配送药物
全自动取送药机器人
机器人设计
自动识别
设计
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1、自动取送药需求

为降低与病人交叉感染的风险，减轻医务人员的工作压力，使更多病人能够按时服药。本文设计了一种全自动取送药机器人，模拟在医院里的完成取送药服务，假设医院共有八个病房，模拟好病房号及道路（场景图如图1所示），机器人通过地面上的红线进行循迹，地面背景设为白色，假设机器人要去的每个病房号都需要检测，并且是随机的。本设计实现的是全自动取送药，并安全返回药房，设置电源开关，打开电源开关后，机器人识别相应的病房号，在检测到装载药物后，会自动向对应病房运送药物，检测到药物被取走后自动返回药房，实现了医务人员与病人的全程无接触配送药物，降低了交叉感染的风险，节省了人力成本，提高了医院整体的工作效率，减轻了医务人员负担，应用前景十分广泛。随着技术的不断进步，发展成熟之后可以应用到快递、外卖等需要人员配送的行业。

图1模拟医院场地

2、总体设计

2.1整体工作流程

本系统以STM32F103C8T6作为主控芯片，搭载外围电路、光电传感器、Open MV摄像模块、桥式整流直流电机驱动以及直流减速电机等模块，设计并制作出的全程无接触的送药机器人。机器人在药房先识别需要药品的病房号，并于检测到药品被放置后自动启动，通过光电传感器模块自动循迹，将药品送入指定药房，等待药品取出后，自动返回药房等待再次检测需要的病房号。系统总体框图，如图2所示：

图2系统的总体框图

2.2机器人各模块功能实现方法

2.2.1动力系统

采用18650电池、LM2596稳压模块、LV8548MC驱动模块和TT直流电机作为机器人动力系统。随着机器人的工作，电池电量将逐渐减少，会导致系统变得不稳定，供给单片机的电压不支持其控制电机的驱动模块，从而使机器人无法正常工作。而LM2596稳压模块可以稳定输出3.3 V、5 V和12 V三种电压，也能在1.2～37 V之间自由调节输出。STM32单片机的供电电压是3.3 V，电机驱动模块是LV8548MC,LV8548MC是一款2路低饱和电压正向和反向电机驱动IC。它是12 V系统产品中电机驱动的最佳选择，可以驱动两个直流电机，不仅如此LV8548MC驱动模块操作还较为简单，通过STM32单片机向其输入高低电平控制电机实现机器人的前进后退与转弯等操作。左右两侧电机转动方向相同都向前的话，小车就会大致向前行驶，都向后的话，小车就会大致向后行驶，出现速度差就会发生转弯现象。

2.2.2机器人循迹

通过车前的两个光电传感器控制机器人运动的方向，调节光电传感器，使其在检测到红色和白色的时候返回值不同，从而实现了让机器人沿着红线的轨迹行驶。具体原理为通过控制左右两侧轮子的速度，使两侧轮子出现相对速度差，再利用光电传感器检测线路是否偏离。为了方便理解，我们假设小车右侧光电传感器检测到应循迹的红线，小车右侧的轮子会加速，这样右侧轮子的速度大于左侧轮子的速度，小车就会向左偏移，同理左侧也一样，最终实现小车循迹功能。并且，要在单片机中记录八个病房的位置，在检测到某个病房之后，能够顺利地朝对应病房送去药品。

2.2.3数字识别

机器人通过识别对应的数字进入相应的病房，并与系统内置库函数进行数字的模板匹配，通过多模板匹配识别算法增加药房数字识别的准确性以及稳定性，识别数字后分析药房号码所在位置坐标，将坐标数据通过串口发送给单片机，单片机通过坐标数据执行。多模板匹配算法在模板库构建的过程中，将数字模板从偏左、偏右、偏上、偏下以及正常位置五个方面分别构建，增加模板库的多样性，与传统模板匹配算法相比抗干扰能力更强、稳定性更高、识别错误率更低。多模板匹配算法是目前应用比较广泛的数字图像识别方法，其原理是将检测图像由左到右，由上到下依次遍历，并依次计算其像素，将其与采集的数字模型的像素进行匹配，确定匹配程度最大的位置并返回其位置坐标数据。实际运用中，根据情况将需要识别的数字模板导入至SD卡中，机器人运行前记录药房护士手持的目标病房号，装药后出发。机器人在运动过程中对地面上病房数字指引与目标病房号进行匹配，匹配成功后判断目标区域位于机器人行进方向的左边还是右边，将方向信息通过串口通信发送给机器人的控制系统，最终实现机器人的数字识别。如图3所示。

图3识别子程序运行效果图

2.2.4主控模块

主控模块采用STM32F103C8T6作为主控芯片，此控制器具有强大的数据库资源，并且开发简易、功耗较低、处理速度较快，大约为51单片机的几十倍，外围接口功能也比51强大很多，便于开发使用。此外STM32单片机程序都是模块化的，接口相对简单些，因为它自身自带好多功能，工作速度也快，而51单片机自身功能少，需要外围元器件多，要求对电子非常熟悉。其基于专为要求高性能、低成本的、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M内核，同时具有一流的外设：1μs的双12位ADC,4 Mb/s的UART,18 Mb/s的SPI的高等，功耗和集成度卓越、性价比高。除新增的功能强化型外设接口外，STM32系列还提供与其他STM32微控制器相同的标准接口，这种外设共用性提升了整个STM32产品的普适性，使程序开发人员可以在多个模块中使用同一个软件。STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1 Msps模数转换器、五个USART接口和三个SPI端口、两个12位数模转换器、两个I2C接口。新产品外设共有12条DMA通道，还有一个CRC计算单元，像其他STM32微控制器一样，支持96位唯一标识码。新系列微控制器还沿续了STM32系列产品的低电压和节能两大优点。2.0到3.6 V的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池，封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。以72 MHz频率从闪存执行代码，耗能很低。低功耗模式共有四种，可将电流消耗降至2μA。从低功耗模式快速启动也同样节省电能；启动电路使用STM32内部会生成的8 MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒，用时小于6μs。基于上述因素，最终选用了STM32作为主控芯片。主控芯片通过串口与摄像模块进行通讯，通过A/D、D/A转换，分析并识别病房号，从而进行正确的药品配送，并且控制机器人原路安全返回，等待下次配送药品。

2.3软件设计

软件设计主要是完成对硬件电路及电路外接功能模块的处理和控制任务。STM32最小系统通过Keilu Vision5 MDK软件开发平台，用C语言进行送药机器人功能的程序编写。编写的程序功能如下：Open MV摄像模块检测到数字信号后，对图形和其他信号进行预处理，通过算法得到输出值后，再进行分析，之后根据分析结果，进行对驱动模块及输出模块的控制。该系统的软件设计主要围绕机器人在主程序的大循环下，对数字识别程序、自动循迹程序、PID控制程序以及一些子程序的协调配合使用。首先进入主程序对STM32F103C8T6的初始化程序，就是在开始执行程序之前对程序进行初始化，防止程序因之前运行而改变的参数值对下次循环的影响；接着对各个输入/输出口进行设定，充分利用STM32单片机的输入/输出口；之后启用Open MV程序，识别目标病房号，并通过检测是否装载药物来判断是否要采取行动；当装载药品的小盒里面的有药品的时候，就相当于产生了压力，压力传感器就会产生一定的信号，进行A/D转换，转换成单片机可以接受的信号，传回单片机，具体的工作流程图如图4所示；再由单片机操控小车调用循迹模块子程序、Open MV子程序、电机控制子程序，并结束程序返回初始化程序；若无药品被检测到，程序就会等待装载药品，流程图如图5所示。

图4压力传感器的工作流程图

图5程序流程图

3、系统测试

3.1病房号码识别测试

测试方案：对系统的各个模块进行多次测试，观察其成功次数并计算出成功率，最后进行整体测试，再次观察成功率，再进行系统的的优化处理，以提高系统的稳定性和精准性。

摄像头模块可以单独进行测试，在未安装整体机器人之前要先通过联机进行测试，找出存在的问题，并作出优化，提高系统的准确性，为减小由于系统所处的环境所引发的误差，采取在模拟医院场地的道路上进行测试。

3.2整体测试

将整个过程进行测试，首先闭合机器人开机开关，识别病房号码，然后放置药品，寻找并进入指定的病房，等待药品取出，在检测到药品取出之后，自动返回药房等待下次取送药。

4、结束语

本文根据医院的实际情况进行研究，对系统的总体方案、硬件及软件结构做了详细的描述，并进行了相应的测试，结果虽然跟预期的结果有所差别，但还是令人满意的。本设计完全自动化，操作方便简单，只需要闭合机器人开机开关即可，价格低廉，能耗较低，降低了医院的人力成本，减少人员接触，降低了交叉传染的风险，减轻了医院病人达到峰值时医护人员的工作压力。对于构建智慧医院有着重要的意义。

参考文献:

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基金资助:2022年山东省大学生创新创业训练计划项目(S202210449033);

文章来源:赵凯,何芳.全自动取送药机器人的设计[J].工业控制计算机,2023,36(08):158-160.

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期刊名称：工程设计学报

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期刊详情

主管单位：中华人民共和国教育部

主办单位：浙江大学,中国机械工程学会

出版地方：浙江

专业分类：建筑

国际刊号：1006-754X

国内刊号：33-1288/TH

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创刊时间：1994年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

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