基于机器人技术的放射性药剂遥控分配装置的研制

胡晓平，吴德平

基于机器人技术的放射性药剂遥控分配装置的研制

胡晓平，吴德平

目的：研制一种基于机器人技术的放射性药剂遥控分配装置，以避免操作人员的放射性损伤。方法：通过对Torobot机器人的性能分析以及对任务流程的解析，确定了整个装置由6自由度机械臂和二维运动平台构成，并且为之设计了相应的动作组。结果：构建了以Torobot机器人为主的硬件装置，编写了相应的控制程序，通过安装调试，该装置完成了预期的放射性药剂遥控分配任务。结论：该装置达到了设计要求，但精度有待提高，结构和流程还有很大的改进空间。

机器人；遥控；放射性同位素

0 引言

放射性同位素在医学领域有着广泛的应用，如60Co、192Ir用于恶性肿瘤的放射治疗，18F用于 PETCT的示踪剂，131I用于甲亢的治疗等。由于医用放射性同位素存在电离辐射，因此在使用过程中不可避免地会对操作人员造成不同程度的伤害。电离辐射有不同的防护方法，其中避免接触、远离放射源是最根本、最有效的方法。机器人技术广泛应用于国民生产的各个领域，具有通用广泛和灵活性等优点，本文重点介绍我院将一种Torobot机器人应用于131I药剂遥控分配，从而达到放射防护目的的一种装置。

1 Torobot机器人简介

Torobot机器人是一种通用机器人实验应用平台[1]，该平台通过对各种机械部件、传感器、驱动板、舵机、步进电动机以及控制软件的不同组合，可以制造出不同用途的机器人。按照功能划分，一个Torobot机器人大体分为以下3个部分：

（1）功能模块。该模块是实现设计功能的模块，包括轮子、机械手、电动机、传感器、传动和支撑装置等，通过这些零件的有机组合，从而实现各种预定的动作。

（2）驱动模块。该模块负责接收控制软件的信号及传感器的反馈信号，经过处理后驱动功能模块。Torobot机器人的驱动模块支持32路输出，可以通过USB接口与上位计算机或单片机进行通信，接受上位机指令。该模块还支持蓝牙技术，可通过安装Android系统的手机进行遥控操作。

（3）控制软件。Torobot机器人的控制指令非常简单，一条指令通常由端口号、步进幅度、运行时间等因素构成。软件支持存储一系列动作，从而形成一个动作组，通过对多个动作组的组合，进而实现既定的设计功能。为了更加简单直观地设计动作组，系统提供了一个设计好的软件（如图1所示），能够非常快速地对相关动作进行调试，调试完毕后存入系统，以方便日后的调用。

2 装置研制

2.1 主要技术路线

放射性药剂遥控装置的设计采取如下的技术路线：分解规范放射性药剂（以131I为例）的分配流程→为每个流程设计动作组→调试动作组→组合动作组，从而形成整个药剂分配流程。

理论上，一个标准的131I药剂分配过程包括以下内容：（1）把2～3 mL的131I药剂从有防护功能的铅

罐中抽取出来；（2）为了减少分配误差，方便后续的操作，将131I药剂进行稀释[2-3]；（3）根据每位患者所需服用的剂量计算相应的稀释后液体的体积；（4）抽取相应体积的稀释液，移位后注入药杯中；（5）患者拿走药杯服药，药杯自动补充。循环执行步骤3到步骤5，可以对多个患者进行给药（如图2所示）。

图1 Torobot机器人的控制软件调试界面

图2 131I药剂遥控分配系统运动框图

通过对Torobot机器人的性能分析以及任务流程的解析，我们认为完全可以用Torobot机器人的通用模块和通用软件实现131I药剂的自动分配过程。对比以前类似研究[2-8]，他们研究的重点在于设计相应的硬件装置，这些装置虽然有很强的针对性，但通用程度不够。在本次研究中，硬件、软件几乎完全是现成的，因此，研究的重点是如何利用机器人去设计一个符合规范、简单合理的程序，并具有一定的通用性。

根据上述流程，我们设计了一个具有6个自由度的机械手（如图3所示）完成1～4步骤，一个二维平台完成5步骤。理论上，3个自由度控制注射器移动，1个自由度控制注射器的吸入注射就可以完成上述任务，但是为了更加灵活地进行控制和操作，我们增加了适当的冗余，由8个自由度完成药剂的分配。

图3 6个自由度机械臂

在完成硬件的搭建后，主要的工作就是调试动作组，这也是本次研究的重点。所谓动作组，就是机器人的一组动作，这组动作由一个或数个电动机逐步或同时运动完成的。例如，抽取药物的动作组是：1号电动机旋转至合适角度；2、3、4号电动机同时动作，将连接在抓手上的注射器针头平稳插入药瓶，当针头触底时，压力传感器发出信号，电动机停止动作；6号电动机运动，控制抓手打开，带动注射器活塞做抽液运动。在调试动作时，可以通过如图1所示的软件进行直观控制，逐个电动机调整，带动机械臂完成既定动作，同时适当注意部件运动的速度，保证动作平稳紧凑。在机械臂运动的同时，系统会自动生成一条代码，直接修改代码参数，可以对机械臂进行更加精密细微的控制。一条代码的构成为：#p（0）…#p（n）x（0）…x（n）t（0）…t（n），其中，#p（n）表示电动机对应的端口号；x（n）表示电动机的运动参数，0～360°分别对应0～5 000；t（n）为实现电动机运动的时间。由代码的格式可以看出，系统支持多个电动机同时运动。一旦动作组调试完毕，可以把该组动作存入系统，下次需要同样的动作时，取出调用即可。

2.2 系统框架

系统大体由2个部分构成，即控制部分和运动部分，其中运动部分又分为分药和给药2个部分，如图4所示。

图4 系统框图

通过分解、调试、组合各动作组，最终设计了一套完整的药剂分配装置，这套装置的系统运动框图如图2所示。

2.3 系统应用的软硬件

系统控制软件由Torobot公司提供，在网页上可以自由下载。机械臂主要部件从公司采购，机械臂与注射器的适配器由自己加工组装。二维平台主要部件由自己加工，2个步进电动机从市场采购，一个电动机负责将药杯推向出口，另一个则负责将平台出口指向患者方向，由患者将推出的药杯取走。图5展示的是组装完毕的整个系统。

图5中从左至右依次为控制计算机、二维给药平台、机械臂、药液稀释杯、131I药剂原液罐。

图5 131I药剂遥控分配系统实验图

3 结果

通过测试，整套装置完全达到了设计要求，操作人员可以通过遥控操作机械臂及一个二维平台完成131I药剂的分配，避免了和放射性药剂的直接接触，从而在不降低工作质量的前提下提高了放射防护水平。

4 讨论

Torobot机器人是一种以实验为主的机器人系统，虽然结构简单，但其性能还是非常强大的。与类似的研究相比，Torobot机器人是一种通用平台，支持Windows、Android操作系统，并提供了一批制式的电动机、传感器、连接件，动作组的设计方便简单，机器人在跟随人工操作一次后，就可以独立地重复相同动作，体现了人工智能的特点。另外，在实践过程中，我们认识到可以从以下几个方面进行改进和加强：

（1）电动机、传感器、齿轮的精度有待提高，机械结构可以进一步优化。Torobot机器人主要是用于实验的平台，各种部件的精密度远没有达到工业应用的水平，因应用于药剂分配的任务较简单，Torobot能够解决，但面对复杂的任务时它就显得力不从心了，因此，利用这个实验平台，了解和掌握机器人技术方法，通过改进硬件装备，进行结构的优化，一定可以开发出能应对各种复杂任务的装置。

（2）该流程还有较大的优化空间。例如，药剂通过注射器抽取和注射，剂量的多少是通过摄像头来观察的，操作者在软件界面上通过拉动移动条来控制机械臂抓手的开合，从而带动注射器的抽注动作。事实上，电动机的步进系数、注射器的长度、药剂量之间存在简单的函数关系，因此，通过合理的设计和增加相应的质控手段，完全可以实现整个流程的全自动化。

5 结语

该装置虽然达到了设计要求，但精度有待提高，结构和流程还有很大的改进空间。本次设计任务相对简单，但有一定的通用性，在核医学领域、实验室、检验科以及医院其他能接触辐射物、有毒有害物质的场所，这种平台有很大的应用空间。因此，在下一步的工作中，我们将对系统的通用性、精确度及自动化程度进行更深入的研究。

[1]舵机控制板和51单片机通讯[EB/OL].[2013-08-08].http://www. torobot.com/doc/usc-51-uart-code.

[2]陈廷成，黎亚元，陈守强，等.同位素药液自动稀释分装装置的研制[J].同位素，2010，20（2）：98-101.

[3]陈守强，宫霞霞，柏海平，等.全隔离防护自动稀释分装机的研制开发[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12（26）：5 095-5 098.

[4]陈勇，吕霞付.基于模糊控制的放射性试剂装机器人[J].仪器仪表学报，2009，30（2）：330-334.

[5]Summerfield M R，Seagull F J，Vaidya N，et al.Use of pharmacy delivery robots in intensive care units[J].Am J Health Syst Pharm，2011，68（1）：77-83.

[6]Gaisford W.Robotic Liquid Handling and Automation in Epigenetics [J].J Lab Autom，2012，5：11-14.

[7]Nazififard M，Mahdizadeh S，Meigooni A S，et al.A novel device for automatic withdrawal and accurate calibration of 99m-technetium brdiopharmaceuticals to minimize radiation exposure to nuclear medicine staff and patient[J].Radiat Prot Dosimetry，2012，4：71-74.

[8]Yin-jing GUO，Jin LI，Xiao-ming DING.Design of Remote Control Nuclear Radiation Detector[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation，2011，4：390-393.

（收稿：2012-05-08 修回：2013-09-08）

Remote Radioisotope Distribution Device Based on Robotic

HU Xiao-ping,WU De-ping
(Department of Equipment,the 82nd Hospital of the PLA,Huai'an 223001,Jiangsu Province,China)

ObjectiveTo develop a remote radiation agent distribution device based on the robotic in order to eliminate the radiation injury to the staff.MethodsTorobot robotic was analyzed for its performance and mission flow,which was found consisted of the manipulators with 6-degree of freedom and 2D motion platforms.Then corresponding action steps were designed accordingly.ResultsThe hardware configuration was established with Torobot robotic as the core,and the control program was developed.The device could complete the mission for remote radioisotope distribution after installation and debugging.ConclusionThe developed device meets the desired requirements,while has to be improved in accuracy, structure and flow.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：37-39]

robotic;remote control;radioisotope

R318；R817；TP242

A

1003-8868（2014）01-0037-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.037

淮安市“533高层次人才培养工程”计划项目（HAC201119）

胡晓平（1973—），男，硕士，主任，高级工程师，主要从事医疗设备方面的研究工作，E-mail：rtonline@sohu.com；吴德平（1980—），男，硕士，主治医师，主要从事内分泌代谢性疾病诊治方面的研究工作。

223001江苏淮安，解放军82医院设备科（胡晓平，吴德平）