智能化藥物運輸機器設計*

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

隨著我國自動化技術和醫(yī)療技術的不斷進步，近年來國內自動化藥房技術進一步成熟，在國內多家知名大型醫(yī)院成功應用^[1]。自動化藥房不僅能提高醫(yī)院藥房服務效率，而且能滿足醫(yī)院數字化的要求，彌補了傳統(tǒng)藥房的很多不足之處^[2]。針對實現藥房自動化問題，設計了智能化藥物運輸機器。提高了工作效率，減輕了護士的勞動強度^[3]。

1 結構設計

該機器主要由主控裝置，驅動裝置，接收裝置，無線充電裝置來組成。

圖1 機械結構示意圖

圖2 無線充電發(fā)射裝置及線圈示意圖

1.1 主控裝置

主控是由TC264 來完成。

1.2 驅動裝置

驅動是由DRV8701 驅動模塊、有刷電機、編碼器組成，DRV8701 驅動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 語音模塊、MT9V034 攝像頭、usart hmi 串口屏。HC05 藍牙模塊用來和電腦上插入的HC05 藍牙模塊進行藍牙通信，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，讓機器不會偏離航線，獲取道路信息，避讓行人。usart hmi 串口屏用來接收醫(yī)生和護士所需要傳遞藥品的信息。

1.4 無線充電裝置

無線充電裝置是由無線充電接收裝置、超級電容來組成。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源給初級線圈，初級線圈耦合初級線圈能量，通過LCC 補償電路后整流濾波，再通過穩(wěn)壓器生成各路穩(wěn)定電壓儲存在超級電容中，給機器供電。

2 系統(tǒng)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 藍牙模塊用無線通信的方式獲取訂單信息，傳輸給TC264單片機，通過基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規(guī)劃進行規(guī)劃最優(yōu)路徑，使用基于LCC 補償電路的無線充電收發(fā)裝置進行充電，儲存在超級電容中。充足電后，MT9V034 攝像頭通過大津法和細化算法進行循跡及避障，DRV8701 驅動模塊驅動有刷電機道路行駛，到底送藥終點處后，LD3320 語音模塊將事先通過電腦藍牙無線通信傳輸的病人狀況告知病人及病人家屬。完成任務后回到起點，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（機器人運行時所在的樓層地圖)，導入病人的個人信息及病情狀況。已將運送的藥品放入藥品框內。

機器正常運行時，從車庫出發(fā)，需打開機器人開關，給單片機供電。待接收到藍牙無線通信來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，自動給無線充電發(fā)射裝置供電，機器開始無線充電。超級電容電滿后，自動關閉無線充電發(fā)射裝置，并計算最優(yōu)路徑，機器人開始行駛，攝像頭查詢路況，實時控制機器動向。待到底終點后，機器會等待。病人或病人家屬取走藥品，并向機器詢問完病人的狀況后，按下回去按鍵，機器就會自動回到藥房，將車子停入指定的車庫（車子尾部的無線充電接收裝置對準無線充電發(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 無線充電

機器上的部件由超級電容供電。相較于傳統(tǒng)電池供電，超級電容的優(yōu)勢在于啟動快、效率高、免維護等優(yōu)點。且超級電容能更適應復雜環(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險。

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

3.1.1 無線充電方案規(guī)劃

當藥房傳來信號時，開關控制無線充電發(fā)射電路進入工作模式，Q1 和Q2 在驅動器的驅動下交替導通，在橋臂處形成150 kHz 方波功率源。再通過后邊的不對稱LCC 諧振網絡把150 kHz 的方波信號源轉換成正弦信號后通過線圈發(fā)射出去。

當機器在車庫內處于待命狀態(tài)并且接收到電能時，整機的電源電路開始運轉。首先，線圈接收到的電能經接收部分的LC 接收網絡后，先經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 電路的無線充電的大體電路圖

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)送線圈電感：L_p =29 μH

兩個線圈之間的互感：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網絡有關數據如下表所示：

通過程序計算出的數據如圖7。

圖7 無線充電LCC部分詳細參數

3.2 識別路況

機器識別路況的問題主要為循跡和避障，為解決這個問題，使用大津法進行二值化處理去除燈光的影響，再進行在選定的范圍內對其用細化算法，得出中線，讓機器按照中線的坐標去行駛，途中若在另個范圍內識別到體積大于設定值，機器就會停下等待。

3.2.1 大津法

假設圖像閾值為T，小于T 的像素為目標，且目標部分像素點占圖像比例為w₀, 平均灰度值為u₀, 而背景部分的像素點占圖像比例為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。

大津法灰度后，圖像展示如圖8。

3.2.2 細化算法及避障

為了選取圖像中線坐標組來作為循跡的線，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。細紅線是細化算法后的中線。

避障是利用該藍框內面積大于預定值，就停止來進行避障。

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(yī)生之間的任務傳達，設計了串口屏。

使用usart hmi 智能串口屏, 主顯示頁面如圖10。

觸屏點擊工號登錄，可以進入賬號密碼的界面，輸入完正確的賬號密碼后會進入使用界面，使用界面如圖11。

圖11 工號登錄后的使用界面

其中觸屏點擊庫存查詢，就可以查看庫存；觸屏點擊任務查詢，就可以查看訂單情況；觸屏點擊修改訂單，就可以刪除已經下達的未執(zhí)行的訂單；觸屏點擊配送下單，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 語音對話

考慮到與病人、病人家屬的交流時，病人往往并不能很便利使用串口屏與機器交流，為此添加了語音對話功能，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定后的固定詞語喚醒機器人，例如“你好，悠悠”之類的喚醒詞，機器就會被喚醒，再說出“查詢病人信息，姓名小紅”，機器就會說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 內若無再接收到信息也會自動關機。

3.4 基于蟻群算法柵欄地圖的路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是移動機器人的“大腦”^[4]。在醫(yī)院這種復雜的場景下，往往會存在許多的障礙物，如墻壁，座椅等，如果不采用規(guī)劃路徑，可能會出現繞著障礙物行走的情況出現，同時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 導入地圖

地圖構建路徑規(guī)劃技術，是按照機器人自身傳感器搜索的障礙物信息，將機器人周圍區(qū)域劃分為不同的網格空間( 如自由空間和限制空間等)，計算網格空間的障礙物占有情況，再依據一定規(guī)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(guī)劃。柵格法是將機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i 與終點j 的各自坐標。

3.4.2 路徑選擇

每個螞蟻都會隨機選擇1 個城市作為其出發(fā)城市，并會儲存這個路徑記憶向量，用來存放該螞蟻依次經過的城市。螞蟻在路徑的每一步選擇中，都是按照1 個隨機比例規(guī)則去選擇下一個要到達的城市。隨機概率按照式（11）來計算的：

I,j 分別為起點和終點；

γ_ij(t) 是時間t 內由i 到j 的信息素強度；

δ_ij是能見度，i，j 兩點間的距離的倒數；

allowed_k 為尚未訪問的節(jié)點集合；

αβ是信息素和能見度的加權值；

式（11）用于計算當前點到每個可能的下一個節(jié)點的概率。分子是信息素強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 計算最短距離

將前面所儲存的每個路徑向量進行計算，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

蟻群在每次經過的時候都會留下信息素，1 個螞蟻所攜帶的信息素為1，它所經過的每一個長度單位下都會平均地留下信息素，但同時信息素會隨著時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被信息素所影響，所以隨著迭代次數D 的不停增加，最終所有的螞蟻都只會走那條最短路徑。M 為螞蟻個數，可以得出，在此次迭代中，實際上揮發(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路徑值cn，如式（13）

3.4.5 得出結果

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

圖13 模擬最短路徑線路圖

表2 實驗數據匯總

圖14 各代最短路徑對比圖

得出結果后，會通過該最短數組集判斷得出每一個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 實物圖

圖15 實物圖

4.2 無線充電性能測試

充電完成測試：檢測充電是否結束，接通電源開始充電后檢測紅燈和藍燈是否同時亮，若同時亮，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。

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

4.3 路徑規(guī)劃性能測試

變換起始點和終點位置，記錄計算出最多路徑的迭代次數。

5 結束語

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

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2023年6月期）