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智能化藥物運(yùn)輸機(jī)器設(shè)計(jì)*

作者:徐威,余胤翔,孫福源(遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,遼寧鞍山 114051) 時(shí)間:2023-06-25 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:多功能可移動(dòng)的智能化藥物運(yùn)輸機(jī)器,具有無線充電,自動(dòng)行駛,人機(jī)交互的功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物的自動(dòng)化運(yùn)送功能。使用基于LCC補(bǔ)償電路的無線充電方式達(dá)到無線充電功能,使用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,并用MT9V034攝像頭,DRV8701驅(qū)動(dòng)模塊達(dá)到自動(dòng)行駛功能。通過usart hmi串口屏,HC05藍(lán)牙模塊,LD3320語音模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)送藥物。

*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

本文引用地址:http://2s4d.com/article/202306/447909.htm

隨著我國自動(dòng)化技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步,近年來國內(nèi)自動(dòng)化藥房技術(shù)進(jìn)一步成熟,在國內(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,裝置來組成。

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圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

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圖2 發(fā)射裝置及線圈示意圖

1.1 主控裝置

主控是由TC264 來完成。

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

1.4 裝置

無線充電裝置是由無線充電接收裝置、超級(jí)電容來組成。接通了直流電源的無線充電發(fā)射裝置通過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LCC 補(bǔ)償電路后整流濾波,再通過穩(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)牙模塊用無線通信的方式獲取訂單信息,傳輸給TC264單片機(jī),通過基于蟻群算法柵欄地圖的進(jìn)行規(guī)劃最優(yōu)路徑,使用基于LCC 補(bǔ)償電路的無線充電收發(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 語音模塊將事先通過電腦藍(lán)牙無線通信傳輸?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。

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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),從車庫出發(fā),需打開機(jī)器人開關(guān),給單片機(jī)供電。待接收到藍(lán)牙無線通信來得知的運(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)給無線充電發(fā)射裝置供電,機(jī)器開始無線充電。超級(jí)電容電滿后,自動(dòng)關(guān)閉無線充電發(fā)射裝置,并計(jì)算最優(yōu)路徑,機(jī)器人開始行駛,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,將車子停入指定的車庫(車子尾部的無線充電接收裝置對(duì)準(zhǔn)無線充電發(fā)射裝置),并等待下一次命令。

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圖4 工作流程

3 方案與核心算法

3.1 無線充電

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,在無線充電的兩個(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%,可見效率得到了明顯的改善。并且不會(huì)增加過多的成本。

3.1.1 無線充電方案規(guī)劃

當(dāng)藥房傳來信號(hào)時(shí),開關(guān)控制無線充電發(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)后通過線圈發(fā)射出去。

當(dāng)機(jī)器在車庫內(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

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圖5 基于LCC補(bǔ)償 電路的無線充電的大體電路圖

3.1.3 參數(shù)計(jì)算

輸出負(fù)載:RL=10 Ω;對(duì)應(yīng)全橋整流

工作頻率:f=150 kHz

發(fā)送線圈電感:Lp =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:Ubus=24 V

假設(shè)輸出功率: Pout = 50 W

工作電壓:Ubus = 24 V 。

對(duì)應(yīng)的基波的有效值:

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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:

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

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通過程序計(jì)算出的數(shù)據(jù)如圖7。

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圖7 無線充電LCC部分詳細(xì)參數(shù)

3.2 識(shí)別路況

機(jī)器識(shí)別路況的問題主要為循跡和避障,為解決這個(gè)問題,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]。簡化一下,可以得到類間方差g。

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大津法灰度后,圖像展示如圖8。

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3.2.2 細(xì)化算法及避障

為了選取圖像中線坐標(biāo)組來作為循跡的線,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,就停止來進(jìn)行避障。

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圖9 使用細(xì)化算法前后的展示

3.3

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, 主顯示頁面如圖10。

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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。

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圖11 工號(hào)登錄后的使用界面

其中觸屏點(diǎn)擊庫存查詢,就可以查看庫存;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。

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圖12 下達(dá)訂單的使用界面

3.3.2 語音對(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,為此添加了語音對(duì)話功能,使用的是ld3320 語音模塊。

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

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

3.4 基于蟻群算法柵欄地圖的

是移動(dòng)機(jī)器人的“大腦”[4]。在醫(yī)院這種復(fù)雜的場景下,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)器人周圍區(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)器人周圍空間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,用來存放該螞蟻依次經(jīng)過的城市。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)來計(jì)算的:

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I,j 分別為起點(diǎn)和終點(diǎn);

γij(t) 是時(shí)間內(nèi)由j 的信息素強(qiáng)度;

δij是能見度,i,j 兩點(diǎn)間的距離的倒數(shù);

allowedk 為尚未訪問的節(jié)點(diǎn)集合;

αβ是信息素和能見度的加權(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)過的每一個(gè)長度單位下都會(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)

image.png   (12)

1688308175558412.png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。

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圖13 模擬最短路徑線路圖

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

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圖14 各代最短路徑對(duì)比圖

得出結(jié)果后,會(huì)通過該最短數(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 測試結(jié)果

4.1 實(shí)物圖

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圖15 實(shí)物圖

4.2 無線充電性能測試

充電完成測試:檢測充電是否結(jié)束,接通電源開始充電后檢測紅燈和藍(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。

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

4.3 路徑規(guī)劃性能測試

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)。

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5 結(jié)束語

基于TC264 核心板,使用無線充電裝置完成供電,再配合HC05 藍(lán)牙模塊、ld3320 語音模塊、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?;旧峡梢宰龅秸_運(yùn)送,且效果穩(wěn)定。

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(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2023年6月期)



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