一种医疗服务机器人机械手的设计与实现

 2023-01-08 10:01

论文总字数:13645字

摘 要

护士助手机器人是一种医用机器,其主要功能是在一定程度上辅助或是代替医护人员的工作,尤其在代替医护人员进入感染病病房执行食物、药品等物资的运送方面有着不小的优势。虽然目前来看,护士助手机器人无法取代医护人员,但在近期爆发的新冠肺炎疫情中可以侧面看出,护士助手机器人在未来的广泛运用方面有着很大的潜力。

而对于护士机器人而言,机械臂是其重要的组成部分,是护士机器人完成拾取、搬运等重要工作的主要执行元件,本文针对护士助手机器人工作的性能要求,提出了一个包含着总体结构、控制方法、硬件选择的机械手设计的总体方案。本文里的机械臂,采用STM32F103C8T6单片机控制以及MG996R舵机来驱动。

关键词:机械臂;舵机;单片机

Abstract

Nurse assistant robot is a kind of medical machine, its main function is to assist or replace the work of the medical staff to a certain extent, especially in replacing the medical staff to enter the infectious disease ward to carry out the transportation of food, drugs and other materials. Although the nurse assistant robot can not replace health care workers, it can be seen from the recent outbreak of new crown pneumonia that the nurse assistant robot has great potential in the future.

For the nurse robot, mechanical arm is an important part of it, and it is the main executive component of the nurse robot to complete the important work such as picking up, carrying and so on. According to the performance requirements of the nurse assistant robot, this paper puts forward an overall scheme of the manipulator design including the overall structure, control method and hardware selection. The manipulator in this paper is driven by STM32F103C8T6 MCU and MG996R actuator.

Keywords:Mechanical arm, Steering engine, MCU

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 课题的提出 3

1.1课题研究的背景与意义 3

1.2课题研究的目的 4

1.3课题研究的主要内容 4

第二章 方案论证 5

2. 1方案的提出 5

2. 1.1 整体方案的选择 6

第三章 护士助手机器人机械臂硬件设计 7

3. 1 引言 7

3. 2 护士助手机器人概述 7

3.3 机械臂舵机的选用及机器人的固定问题 7

3. 3. 1 舵机的选用 7

3. 3. 2 舵机的控制原理 8

3. 3. 3 舵机型号的选取 8

3. 3.4 机械臂的固定问题 9

3.3主控芯片 10

3.3.1主控芯片的选用 10

3.3.2主控芯片的基本参数 10

第四章 机械臂控制系统设计 12

4.1 引言 12

4.2 护士助手机器人机械臂的数学模型分析 12

4.3 护士助手机器人机械臂的逆运动分析 15

4.3.1逆运动学求解 15

第五章 医疗服务机器人的实验以及调试 18

5.1 医疗服务机器人舵机的调试 18

5.2 结论 19

致谢 19

参考文献 20

第一章 课题的提出

1.1课题研究的背景与意义

就定义而言,护士助手机器人是一种能够通过自主的行动在医院的包括但不限于感染病房等环境中,通过自主行动来在一定程度上达到代替人工操作的目的的机器人。人类对于移动机器人的研究最初始于20世纪60年代末,斯坦福研究院研究人员在1966年至1972年中研制出了取名sheaky的自主移动机器人,目的是研究应用人工智能技术在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。[1]但是由于受到当时的客观条件的限制,护士助手机器人在这一段时间里并没有得到迅速的发展。直到70年代末期,人类的计算机与传感器这两项对护士助手机器人来说至关重要的两项技术的发展,停滞了多年的护士助手机器人终于迎来了自己的蓬勃发展。特别是在80年代中期,这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台,从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。[2]90之后,处于对更高水平的传感器、控制系统、信息处理技术的需要,护士助手机器人的研究自此以后出现了新的标志和特点。下面针对护士助手机器人,阐述国内发展概况。[3]

相对于其他国家,由于我国之前长期处于半殖民地半封建的历史背景造成的我国科学技术方面相较西方国家相对落后,我国对于护士助手机器人的研究比起其他国家可以说是起点低,起步晚,而且研究的单位也是主要集中在高校。

2003年5月的“非典”时期,哈尔滨工程大学研制出了基于图像的无线遥控的护士助手机器人。此机器人能够胜任为病区消毒、为病人送药、送饭及生活用品等任务,还能协助护士运送医疗器械和设备、实验样品及实验结果等。[4]该机器人由多个独立的系统共同组成。能够深入病区连续工作2个小时,最多可以一次向病区内运送重达35kg的物品。工作时,它的4只轮子配合协调,以0.7m/s左右的速度走进病区,随后病区内的情况将通过摄像头发射到设置在病区外的监视器上。工作人员可在200m以内根据这些图像遥控“护士助手”完成指定任务。[5]

中国科学院自动化研究所也在“非典”期间研制了一台“非典”助手机器人。[6]这一台护士助手机器人除了可以代替医护人员在病区进行日常的巡查、搬运日常物品等简单的任务以外,还能协助医护人员进行最多一次可达30kg的器械搬运或是垃圾处理等。该机器人的头部由无线摄像头和图像传输系统两部分组成,可以随时向操作者提供机器人的图像信息和工作环境状况,在机器人身上安装有超声波和辐射传感器。本实用新型提供了一种用于机器人避障控制的红外线速度控制装置,该装置的为三轮机构,其中机器人靠着其中一个轮子的旋转来调节机器人的千金方先。操作者可以随时用摇杆控制其行走速度。利用电子罗盘判断前进方向,根据超声波和红外传感器提供的信息,不断调自己与整障碍物之间的相对位置和运动速度,实现半自主导航。[7]

本文为何要选择护士助手机械臂来作为研究对象?随着经济的发展,人工的价格则一直在随之增长,越来越多的行业在发生着机械代替人工的现象。而作为代替医护人员工作的机器人,护士助手机器人虽然无法完全替代人工,但是在近期新冠疫情爆发的大环境下我们可以看出,护士助手机器人在代替人员进入感染病房执行简单工作从而减小病毒的交叉感染这方面有着得天独厚的优势。所以,日后在感染病爆发的时期,有机器来代替人工进行感染病房里的简单操作将势必成为主流趋势。由于护士助手机器人在自主运动并到达病房之后,需要进行将所运送的药品或者物品放置到指定位置上等一系列操作以达到代替人工的目的,这就要求护士助手机器人必须含有能够完成对于物品做出抓取和放置的机构,而一般情况下,这种工作通常由机械手来完成。因此,设计一个结构合理的医疗服务机器人机械手臂对于机器人实现相应的抓取等功能至关重要。

1.2课题研究的目的

本课题希望通过使用STM32f103c8t6这种常见的单片机与MG996R舵机来设计一种四自由度的用于代替简单人工操作的机械臂,使成品的护士机器人整体可以只使用一块单片机来操控整个机器人的所有行动,让机器人能够在病房中部分代替人工进行药品等小物件的搬运的工作,同时使机器人总体有着拥有结构简单、生产简易等优点。

1.3课题研究的主要内容

为了实现搬运药品的功能,本课题选用了一个四自由度的机械臂来作为本课题所研究的护士助手机器人的执行机构。其中,以本课题所研究的护士助手机器人所应有的经济性与简便性出发,本课题所设计的护士助手机器人机械臂采用了有着可替换性和重复性高的轻质金属板作为框架和四个MG996R型号舵机组成本课题所研究的护士助手机器人的机械臂。这种机械臂结构相对简单,而且便于控制,控制精度也可以满足本课题的设计要求。在日常生活中,这种机械臂也有着广泛的使用。作为执行机构,机械臂的精确控制是通过STM32C8T6单片机的TIM4的四个端口,通过对四个端口分别输出的周期为20ms的PWM波的占空比进行改变,从而分别对四个舵机的关节转动角度进行精确控制。整个机器人使用一个5V电源来作为能源机构,护士助手机器人的工作流程详情见护士助手机器人工作流程图(图1.1)。机器人机械臂将在机器人进行移动指令之前,按设定方式来完成物料的夹取,当夹取完成后机械臂暂时保持静止,随后机器人将按设定的运行逻辑自行运动到目标地点,在确认到达指定地点后,机械臂在此进入工作状态,把物料放下。

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