智能化藥物運輸機器設計*

*基金項目：遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目，項目編號：S202210146037

隨著(zhù)我國自動(dòng)化技術(shù)和醫療技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)國內自動(dòng)化藥房技術(shù)進(jìn)一步成熟，在國內多家知名大型醫院成功應用^[1]。自動(dòng)化藥房不僅能提高醫院藥房服務(wù)效率，而且能滿(mǎn)足醫院數字化的要求，彌補了傳統藥房的很多不足之處^[2]。針對實(shí)現藥房自動(dòng)化問(wèn)題，設計了智能化藥物運輸機器。提高了工作效率，減輕了護士的勞動(dòng)強度^[3]。

1 結構設計

該機器主要由主控裝置，驅動(dòng)裝置，接收裝置，無(wú)線(xiàn)充電裝置來(lái)組成。

圖1 機械結構示意圖

圖2 無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射裝置及線(xiàn)圈示意圖

1.1 主控裝置

主控是由TC264 來(lái)完成。

1.2 驅動(dòng)裝置

驅動(dòng)是由DRV8701 驅動(dòng)模塊、有刷電機、編碼器組成，DRV8701 驅動(dòng)模塊控制有刷電機運行，編碼器做到閉環(huán)pid 控制有刷電機轉速。

1.3 接收裝置

接收裝置有HC05 藍牙模塊、ld3320 語(yǔ)音模塊、MT9V034 攝像頭、usart hmi 串口屏。HC05 藍牙模塊用來(lái)和電腦上插入的HC05 藍牙模塊進(jìn)行藍牙通信，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)檢測道路的，讓機器不會(huì )偏離航線(xiàn)，獲取道路信息，避讓行人。usart hmi 串口屏用來(lái)接收醫生和護士所需要傳遞藥品的信息。

1.4 無(wú)線(xiàn)充電裝置

無(wú)線(xiàn)充電裝置是由無(wú)線(xiàn)充電接收裝置、超級電容來(lái)組成。接通了直流電源的無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射裝置通過(guò)功率半橋生成方波信號源給初級線(xiàn)圈，初級線(xiàn)圈耦合初級線(xiàn)圈能量，通過(guò)LCC 補償電路后整流濾波，再通過(guò)穩壓器生成各路穩定電壓儲存在超級電容中，給機器供電。

2 系統設計

2.1 控制流程

該機器用usart hmi 串口屏用串口通信或是HC05 藍牙模塊用無(wú)線(xiàn)通信的方式獲取訂單信息，傳輸給TC264單片機，通過(guò)基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規劃進(jìn)行規劃最優(yōu)路徑，使用基于LCC 補償電路的無(wú)線(xiàn)充電收發(fā)裝置進(jìn)行充電，儲存在超級電容中。充足電后，MT9V034 攝像頭通過(guò)大津法和細化算法進(jìn)行循跡及避障，DRV8701 驅動(dòng)模塊驅動(dòng)有刷電機道路行駛，到底送藥終點(diǎn)處后，LD3320 語(yǔ)音模塊將事先通過(guò)電腦藍牙無(wú)線(xiàn)通信傳輸的病人狀況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

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

機器正常運行時(shí)，從車(chē)庫出發(fā)，需打開(kāi)機器人開(kāi)關(guān)，給單片機供電。待接收到藍牙無(wú)線(xiàn)通信來(lái)得知的運行信息或是從串口屏上串口通信得知的運行信息，自動(dòng)給無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射裝置供電，機器開(kāi)始無(wú)線(xiàn)充電。超級電容電滿(mǎn)后，自動(dòng)關(guān)閉無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射裝置，并計算最優(yōu)路徑，機器人開(kāi)始行駛，攝像頭查詢(xún)路況，實(shí)時(shí)控制機器動(dòng)向。待到底終點(diǎn)后，機器會(huì )等待。病人或病人家屬取走藥品，并向機器詢(xún)問(wèn)完病人的狀況后，按下回去按鍵，機器就會(huì )自動(dòng)回到藥房，將車(chē)子停入指定的車(chē)庫（車(chē)子尾部的無(wú)線(xiàn)充電接收裝置對準無(wú)線(xiàn)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(xiàn)充電

機器上的部件由超級電容供電。相較于傳統電池供電，超級電容的優(yōu)勢在于啟動(dòng)快、效率高、免維護等優(yōu)點(diǎn)。且超級電容能更適應復雜環(huán)境。優(yōu)化了傳統電池因低溫等外界條件失效而帶來(lái)的風(fēng)險。

以傳統線(xiàn)圈直接耦合的方式進(jìn)行充電時(shí)，充電的效率近50% ~ 60%，為了節能起見(jiàn)，在無(wú)線(xiàn)充電的兩個(gè)線(xiàn)圈兩側各加上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(xiàn)充電方案規劃

當藥房傳來(lái)信號時(shí)，開(kāi)關(guān)控制無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射電路進(jìn)入工作模式，Q1 和Q2 在驅動(dòng)器的驅動(dòng)下交替導通，在橋臂處形成150 kHz 方波功率源。再通過(guò)后邊的不對稱(chēng)LCC 諧振網(wǎng)絡(luò )把150 kHz 的方波信號源轉換成正弦信號后通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)射出去。

當機器在車(chē)庫內處于待命狀態(tài)并且接收到電能時(shí)，整機的電源電路開(kāi)始運轉。首先，線(xiàn)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，再使用多路穩壓電源為3.3 V、5 V 等電壓，從而滿(mǎn)足整機的供電需求。電容1 次充電應略大于跑1 次全程的電能，故需要選用較大的超級電容器。

3.1.2 方案圖

圖5 基于LCC補償 電路的無(wú)線(xiàn)充電的大體電路圖

3.1.3 參數計算

輸出負載：R_L=10 Ω；對應全橋整流

工作頻率：f=150 kHz

發(fā)送線(xiàn)圈電感：L_p =29 μH

兩個(gè)線(xiàn)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

假設輸出功率： P_out = 50 W

工作電壓：U_bus = 24 V 。

對應的基波的有效值：

圖6 方波以及對應的基波峰值

計算需要用到如下公式：

計算出的T型LCC網(wǎng)絡(luò )有關(guān)數據如下表所示：

通過(guò)程序計算出的數據如圖7。

圖7 無(wú)線(xiàn)充電LCC部分詳細參數

3.2 識別路況

機器識別路況的問(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)行在選定的范圍內對其用細化算法，得出中線(xiàn)，讓機器按照中線(xiàn)的坐標去行駛，途中若在另個(gè)范圍內識別到體積大于設定值，機器就會(huì )停下等待。

3.2.1 大津法

假設圖像閾值為T，小于T 的像素為目標，且目標部分像素點(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 細化算法及避障

為了選取圖像中線(xiàn)坐標組來(lái)作為循跡的線(xiàn)，采用細化算法對圖像處理。

紅框是循跡用的視圖范圍，藍框是避障的試圖范圍。細紅線(xiàn)是細化算法后的中線(xiàn)。

避障是利用該藍框內面積大于預定值，就停止來(lái)進(jìn)行避障。

圖9 使用細化算法前后的展示

3.3 人機交互

3.3.1 串口屏

為了方便機器與醫生之間的任務(wù)傳達，設計了串口屏。

使用usart hmi 智能串口屏, 主顯示頁(yè)面如圖10。

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

圖11 工號登錄后的使用界面

其中觸屏點(diǎn)擊庫存查詢(xún)，就可以查看庫存；觸屏點(diǎn)擊任務(wù)查詢(xún)，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)下達的未執行的訂單；觸屏點(diǎn)擊配送下單，就可以下達訂單，它的效果如圖12。

圖12 下達訂單的使用界面

3.3.2 語(yǔ)音對話(huà)

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器交流，為此添加了語(yǔ)音對話(huà)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)出設定后的固定詞語(yǔ)喚醒機器人，例如“你好，悠悠”之類(lèi)的喚醒詞，機器就會(huì )被喚醒，再說(shuō)出“查詢(xún)病人信息，姓名小紅”，機器就會(huì )說(shuō)出最新錄入數據庫中的病人小紅信息。

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

3.4 基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規劃

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

3.4.1 導入地圖

地圖構建路徑規劃技術(shù)，是按照機器人自身傳感器搜索的障礙物信息，將機器人周?chē)鷧^域劃分為不同的網(wǎng)格空間( 如自由空間和限制空間等)，計算網(wǎng)格空間的障礙物占有情況，再依據一定規則確定最優(yōu)路徑^[5]。該機器采用了基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規劃。柵格法是將機器人周?chē)臻g分解為相互連接且不重疊的空間單元^[7]。在機器上添加n*m 的矩陣地圖，數值上用-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。

3.4.2 路徑選擇

每個(gè)螞蟻都會(huì )隨機選擇1 個(gè)城市作為其出發(fā)城市，并會(huì )儲存這個(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)隨機比例規則去選擇下一個(gè)要到達的城市。隨機概率按照式（11）來(lái)計算的：

I,j 分別為起點(diǎn)和終點(diǎn)；

γ_ij(t) 是時(shí)間t 內由i 到j 的信息素強度；

δ_ij是能見(jiàn)度，i，j 兩點(diǎn)間的距離的倒數；

allowed_k 為尚未訪(fǎng)問(wèn)的節點(diǎn)集合；

αβ是信息素和能見(jiàn)度的加權值；

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

3.4.3 計算最短距離

將前面所儲存的每個(gè)路徑向量進(jìn)行計算，算出距離，并在循環(huán)下一一對比，得出該迭代次數下的最短路徑，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(cháng)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(zhù)時(shí)間的變化按所設定的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(zhù)迭代次數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，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，如式（12）

   （12）

的計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(xiàn)路圖和圖14 代最短路徑對比圖。

圖13 模擬最短路徑線(xiàn)路圖

表2 實(shí)驗數據匯總

圖14 各代最短路徑對比圖

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

4 測試結果

4.1 實(shí)物圖

圖15 實(shí)物圖

4.2 無(wú)線(xiàn)充電性能測試

充電完成測試：檢測充電是否結束，接通電源開(kāi)始充電后檢測紅燈和藍燈是否同時(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)軌道內置刻度線(xiàn)，可測量小車(chē)行駛距離。

4.3 路徑規劃性能測試

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

5 結束語(yǔ)

基于TC264 核心板，使用無(wú)線(xiàn)充電裝置完成供電，再配合HC05 藍牙模塊、ld3320 語(yǔ)音模塊、MT9V034攝像頭、usart hmi 串口屏DRV8701 驅動(dòng)模塊等設計了智能化運送藥物機器，能自主完成無(wú)線(xiàn)充電，并規劃路徑，完成從病房運送藥物到病人處，能夠通過(guò)藍牙從計算機處獲得運送任務(wù)，并且具有避障，對話(huà)等輔助功能?；旧峡梢宰龅秸_運送，且效果穩定。

參考文獻：

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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）