医院自动取药机器人与样机制作

邱广萍，林峻光，符展培

（华南农业大学 珠江学院，广东 广州 510900）

医院自动取药机器人与样机制作

邱广萍，林峻光，符展培

（华南农业大学 珠江学院，广东 广州 510900）

医院自动取药机器人样机是一种新型的自助取药模式.自助取药机械手作为执行部件，具有根据信息识别药物位置及种类，根据信号提取一定数量的药物的功能，系统利用滑台运输药物到控制台是安全传输的关键.应用蓝牙无线传输技术进行远程控制，并通过舵机控制整个机械手的工作速度，验证了机械手设计的合理性，完成自动取药机器人样机的制作.最后，通过实验证明了该方法精度高、稳定性好，目前将该方法成功运用于自动取药机械手设计中.

自动取药； 机械手； 蓝牙无线传输

1 前言

医院自动取药样机是自动化技术在医学领域的拓展，是发展集数字化，智能化为一体的新型医院发展模式,是现有公众医院服务的延伸，可以让传统医院服务与自动化服务完美结合，实现了质的飞跃.医院自动取药样机由置药机、机械手、滑台和蓝牙串口通信等部分组成.其中蓝牙串口通信是各大组成部分不可缺少的硬件基础，也是样机的核心组成部分.

蓝牙技术是使用 2.4-2.485GHz 的 ISM 波段的 UHF 无线电波，可实现固定设备、移动设备之间短距离的数据交换.蓝牙技术是基于数据包、有着主从架构的协议.数据传输可随时在主设备和从设备之间进行.主设备可以与七个从设备相连接.自动取药机样机的机械手部分组成了主设备，置药机由四个从设备组成.蓝牙协议能够简化设备间服务的发现和设置，因此使得自动取药样机的顺利运行.

蓝牙技术是自动取药样机的核心技术，它通过无线传输的方式接收数据，并对发送过来的微波的不同频率与波长进行识别，无须第三方对样机各大部分进行操作.正是由于蓝牙无线传输技术使得样机可以实现医院自动识别药物的种类与数量和实现自动取药的功能[1].

机械手和置药机作为自动取药的执行系统，具有自动分配药物、自动取药的功能，是整个自动取药样机的关键部位.置药机的结构及其系统控制药物的种类与数量和机械手定位精度是整个工作流程的几大性能指标.因此，对取药机械手系统的研究具有重要的意义.

2 自动取药样机的系统构架

自动取药系统主要包括蓝牙无线操作终端、识别药物、步进电机服务终端、辅助部件等部分组成.蓝牙无线操作终端是自动取药系统的核心部分，负责自动取药功能的实现.置药机从机将药品从药筒中安置到滑台的托盘中.在取药过程中，机械手需要将托盘中的药品取出.

2.1 机械手的基本组成

机械手的整体结构的仿真模型如图 1 所示.自动取药样机的机械手主要有机械手指、机械手底座、舵机.其中机械手指和舵机是机械的关键部件，这2个部件配合后才能完成“药物定位—药物抓取—药物投放”这一系列连续动作.通过对机械手进行优化设计，应用单片机技术自动完成取药过程.

2.1.1 机械手的工作原理

机械手的运动由单片机 STM32F103ZET6 控制舵机带动硬件来实现，单片机 STM32F103ZET6 发出控制指令控制舵机的转角、舵机的转角带动机械手做 360 度的二维运动，通过蓝牙无线传输实现机械手在托盘上的准确定位，机械手运动到取药点后保持合适的取药姿态，然后机械手爪在舵机的转动下伸出并以一定角度插入托盘，在齿轮的作用下将药物夹紧，接着机械手再转动相反同等的角度，即机械手由取药点运动到投药点，在投药点处机械手2根手指退回，完成一次自动取药的过程[2].

图1 机械手仿真模型

2.1.2 单片机 STM32F103ZET6 控制系统的设计

控制系统是支配机械手按规定要求运动的系统.机械手采用单片机控制舵机的角度来完成动作，同时根据控制系统发出的信息对执行机构发出指令，通过编程实现机械手的定位.对舵机的控制如下：

控制电路板接收控制信号，控制步进电机转动，电机带动一系列的齿轮组，减速后传动至输出舵盘.舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，到达目标后停止.舵机的控制信号为周期 20ms 的脉宽调制（PWM）信号，其脉冲宽度从 0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为 0-180 度，呈线性变化.脉宽调制（PWM）信号利用占空比的变化改变舵机的位置[3].

2.2 置药机的设计

2.2.1 置药机的基本组成

置药机有四个相同的从机，从机主要由舵机、蓝牙无线装置、药筒组成，其中蓝牙无线装置和舵机是置药机的关键部件，这 2 个部件精确配合才能够完成“蓝牙接收—舵机执行—药品投放—数据反馈”这一系列连续动作.通过对蓝牙技术和舵机控制技术的优化设计，应用单片机技术在自动完成置药机出药的过程.

2.2.2 置药机的工作原理

从机内部的运动是由蓝牙接收指令后再通过单片机控制舵机带动整个置药机来实现，单片机发出控制指令控制舵机的转角，舵机的摆动控制药物的投放，通过角度控制药物的投放量.工作时，首先蓝牙装置接收信号发送给单片机，单片机根据控制指令控制相对应的舵机，然后再由舵机的转角来保证要药物的数量，接着输送完对应的药物量后停止舵机的转动，等待下次命令.

2.3 蓝牙无线通信部分

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术.能在众多设备之间进行无线信息交换.利用蓝牙技术，能够有效地简化通信终端设备之间的通信.自动取药样机采用MLF中的 NRF24L01 技术，在波特率为 250 时，传输距离为 100 米. 2.3.1 MLF 无线传输发送模式

该函数初始化 NRF24L01 到 TX 模式，设置 TX 地址，写TX 数据宽度，设置 RX 自动应答的地址，填充 TX 发送数据，选择 RF 频道，波特率和 LNA HCURR.当 CE 变高后，即进入 RX 模式，并可以接收数据.CE 为高且大于 10us，则启动发送[4].MLF 自动发送核心程序如下：

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道 0 的自动应答

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道 0 的接收地址

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+SETUP_ RETR,0x1a);// 设 置 自 动 重 发 间 隔 时 间 ：NRF24L01_Write _Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40);// 设置 RF 通 道为 40NRF24L01_CE=1;//CE 为高，10us 后自动发送

2.3.2 MLF 无线传输接收模式

该函数初始化 NRF24L01 到 RX 模式，设置 RX 地址，写 RX 数据宽度，选择 RF 频道，波特率和 LNA HCURR当 CE 变高 后 ，即 进 入 RX 模 式 ，并 可 以接收 数 据[5].MLF 接收核心程序如下：

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道 0 的自动应答

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道 0 的接收地址

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40);//设置RF通信频率

NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);// 配 置 基 本 工 作 模 式 的 参 数 ；//PWR_UP,EN_CRC, 16BIT_CRC,接收模式

NRF24L01_CE=1;//CE 为高，进入接收模式

3 实验结果与分析

本课题进行的研究内容主要是制定自动取药样机的设计方案，分别从样机控制系统方案，机械结构设计等方面来阐述样机如何工作.主要的研究成果有以下两个方面：

3.1 样机控制系统方案

在系统方案设计中，首先分析了本次设计成果的实际需求和技术要求，然后再制定总体移动方案，跟着就是在此基础上进行总体机构设计和总体控制系统设计.通过动态性能演算，来确保机构设计的合理性，提出控制系统总体设计思想及相关设计原则，指导后期控制系统开发.

3.2 机械结构设计

在机械结构设计中，针对预期目标所需要的选材原则和选材办法，符合了实际应用的要求，也保证了样机内部各器材的搭配的要求.从理论设计方案出发，总结出实际的设计方案以及延伸，并且得到了实际操作的验证.针对实操设计提出了设计的关键点，一切从实际出发，发现问题积极改进，加工制作出符合要求的产品.

本课题采用 towerpro995 系列的 MG996R 两相步进电机作为机械手臂的取药电机，实验测得其运行频率为20khz，通过在实验中得到电机运行的占空比与步进电机转动角度的关系.结果表明，在标准大气压下，占空比每变化500 就改变 45 度.可以成功的抓取到托盘药物，符合了医院自动取药的要求.

4 结语

本文提出的自动取药样机可以真正完成全方面的取药功能，在实现自动药房方面取得成功的应用.实践表明，自动取药样机的设计，定位精确，运行平稳，步进电机响应时间缩短，尤其对于医院实现自动药房起到重要的作用.

〔1〕 邓荣华, 范赣军. 基于 BlueCore2-External蓝牙 芯片的USB 接口的设计和实现[J].现代电子技术,2005(06).

〔2〕张志勇,何东健,张建锋,黄铝文,姬红卫.苹果采摘机器人手臂控制研究[J].中国农业大学学报,2008(02).

〔3〕包向 华,章跃进.基 于 SIMULINK 的 永磁 无 刷 直流 电 动机及控制系统的建模与仿真 [J]. 电气传动 自 动 化,2005 (04).

〔4〕牛玉峰.蓝牙数据传输性能增强及芯片化实现技术研究[D].西安电子科技大学，2012.

〔5〕徐 金 苟.低 能 耗 蓝 牙 4.0 协 议 原 理 与 实 现 方 法[J].微 型 电脑应用，2012(10).

TP242.2

：A

：1673-260X（2016）02-0036-02

2015 年 11 月 22 日

2014 年国家级大学生创新创业项目（201412623002）