医药品智能分发机器人设计

倪秉轩 袁鹏凯 张庆旭 陈学琪

摘要：为了尽可能多的减少人员的密集接触，使医护人员将精力投入到治疗患者中去，提升医护人员的工作效率，设计医药品智能分发机器人。机器人以STM32为控制核心，结合机械臂、视觉识别技术等实现医药品的自动分拣与发放，可以通过数据库连接到公众号及小程序实时监控其状态，同时患者可预约扫码排队。能够提升医护人员的工作效率，节约分拣及发放医药品的时间，节约用户等候取药的时间。

关键词：STM32;视觉识别;机器人

1 引言

如今，各级医院均不同程度上存在人流量大，设备、用品及药品品种多，需求分散，次序杂乱，效率不高的问题。为了规范医疗用品及药品的分拣和发放，提高就医效率，尽可能减少人员的密集接触，减少医护人员准备手术等工作所需要的时间，设计医药品智能分发机器人。该机器人的使用能大大提升医护人员的工作效率，节约分拣及发放药物药品的时间，节约就医人员等候取药的时间，提升就医体验。同时也适用于小型快递网点、仓库。本设计适应科技的发展，适应国家产业结构转型升级，能够协助克服生活中的难题，为生活带来便利。

2 系统总体设计

根据市场有关自动分拣与发放机器人的调查研究发现，目前国内外的机器人虽然有速度快、自动作业、降低人工成本的优点，但由于多数用于大型的仓库、工厂，造成其体积庞大，又因为体积庞大，要保证机器人的质量，便造成机器人成本高、投入高的问题;多数大型设备需要专业人员操控，对于普通人来说，操作机器人也是一大难题;真正投入到生活中还会存在实用性差等问题。所以市面上用于医院药物药品及医疗设备的分拣机器人功能不完善，并不能满足医院对于药物药品及医疗工具分拣与发放的需求。医院的药房，人工操作需要医护人员大量的时间及精力用于对患者的药物药品的分拣与发放，提升医护人员工作效率、减少医患间密切接触，是目前医疗行业急需解决的一个问题。现代科技高速发展，研究具有自动分拣与发放药物药品及医疗工具的医药品智能分发机器人非常有必要。设计完成的这款机器人，从市面上造价高、体积大、操作困难、适用性差等几个方面进行改进、优化、提升，设计，极具智能化，使管理员和用户可以更为方便的操作和使用。

系统的主要功能为：

1）运用视觉识别技术识别各种已有药物药品，根据指令通过机器人进行自动分析及分类，药物药品可以根据种类存放在相应的存储空间或根据处方将药物药品发放到患者手中。

2）运用STM32控制，通过机械臂来实现各类药品的自动分拣与发放。STM32是机器人的控制核心，将进行指令和信号之间的相互转化，控制机械臂运动;机械臂是机器人的执行部分，通过机械臂的运动达到自动分拣与发放的效果。

运用STM32控制，还可以通过机械臂来实现所需要的医疗用品的分拣与发放。当STM32发出分拣或发放医疗用品的指令后，机械臂会拾取医疗用品，如手术刀、纱布、剪子等。将其发放到指定位置，以方便医护人员的管理与使用

3）系统还可以根据实际情况进行调整，使机器人具有不同中枢控制，用来适应不同的工作场合。

3 硬件设计与实现

3.1视觉识别模块

机器人视觉对于智能机器人就相当于眼睛和人的關系一样，为了使机器人实现智能化分拣发放的功能，则必须让机器人具有感知功能，使机器人能够“看到”周围世界。视觉识别模块采用Maix Bit开发板，使用了双核 64bit RISC-V / 400MHz （双精度FPU集成）CPU、内存为8MiB 64bit 片上 SRAM、储存：16MiB Flash，支持 micro SDXC 拓展存储 （最大128GB）、屏幕：2.4 寸 TFT，屏幕分辨率：320*240、摄像头：200W 像素，0V2640 型号 M12 摄像头、TF卡槽支持多媒体资源扩展，大容量储存。视觉摄像头拍摄到药盒，通过识别分辨药盒的颜色、形状、字符和条形码等来识别出药品的种类。STM32与机械臂通信给机械臂下达指令让其发放到指定的药品仓库这就实现了存放功能。当患者需要某种药品时，只需手动选取或远程手机软件下单相应药品，机械手会从相应仓库中取出让摄像头再次识别以确保药品正确。摄像头识别出药品时，屏幕上会有绿框显示。自动化药品分拣机器人完成的每一道程序，都带来人力成本的下降和医护人员工作效率的提高，减少医患间密切接触。通过视觉扫描技术，按照药品的品种、药效、重量以及发往的地点进行快速的分类，然后将货物送到指定的货架上或出货站台处。与此同时，机器人也可以在最短时间内将货架上的药品配送到不同的站台向外运输。这样便可以极大缩短发货时间，提高服务水平。自动分拣机器人还不止仅限于此，现今电商外卖平台的发展，分拣机器人通过与手机软件关联，顾客远程在家选购下单，分拣机器人接收到订单信息去相应的仓库里取药品。在医院这种小范围建筑甚至可以做到真正无人作业，送药到病床等工作。极大的减少了医护人员的工作，节省了大量人力精力。拥有了视觉识别技术的机器人就能在各个行业“大展拳脚”为人们的生活带来便利。

3.2核心控制模块

选择STM32的F103系列芯片，其内核使用的是ARM32位ortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。存储器使用的是片上集成32-512KB的Flash存储器，6-64KB的SRAM存储器。还拥有三种低功耗模式，休眠，停止，待机模式。STM32可以给舵机输入不同的信号，来控制其旋转到不同的角度。舵机接收的是PWM信号，当信号进入内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，使电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。舵机上有三根线，分别是GND、VCC和SIG，也就是地线、电源线和信号线，其中的PWM波就是从信号线输入给舵机的。一般来说，舵机接收的PWM信号频率为50HZ，即周期为20ms。当高电平的脉宽在0.5ms-2.5ms之间时舵机就可以对应旋转到不同的角度。想要输出PWM信号就得用上TIM定时器，而基本定时器没有PWM信号的输出功能，所以只能选用通用定时器和高级定时器。

3.3 机械臂模块

采用舵机动作带动机械臂运动。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器。向伺服器发送一个控制信号时，输出轴就可以转到特定的位置。只要控制信号持续不变，伺服机构就会保持轴的角度位置不改变。如果控制信号发生变化，输出轴的位置也会相应发生变化。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。使用STM32控制舵机，需要设置20ms左右的时基脉冲，脉冲的高电平部分一般使用0.5ms-2.5ms的范围内的角度，来控制脉冲部分，总间隔为2ms。舵机转动0°代表它的占空比是2.5%，转动180°代表它的占空比是12.5%。设arr（自动重装载值）为x时转动角度所对应的值=（x+1）*（1-占空比）;将pwm极性设置为TIM_OCPolarity_High時转动角度所对应的值=（x+1）*占空比。

机械臂采用六轴分体式设计，机械臂的抓头部分，就是机械臂的第五轴和第六轴，采用防烧舵机和MG996舵机作为动力，整体框架由3mm的机械爪和U型铝合金支架组成，U型铝合金支架通过M3的螺丝固定在一起。5轴舵机直接固定在支撑板，机械抓采用舵机扣加螺丝的形式连接在五轴舵机上，而六轴舵机固定在机械爪上。在机械臂的肘部，包括第四轴，使用MG996舵机，肘部框架采用和五轴舵机同样的U型铝合金支架，将四轴舵机安装在U型铝合金支架上，来控制机械臂的肘部运动。腰部包括机械臂的第二轴和第三轴，第二轴的力臂直接和舵机相连，第三轴通过一个两个U型铝合金支架连接控制上方小臂的方向。底部为机械臂的一轴，采用TBSN-2701数字舵机作为动力，舵机和最后一块底板连接在一起，上边由两U型铝合金支架支撑。机械臂结构如图1所示。

5 结论

医药品智能分发机器人融合了视觉识别、人机交互、运算控制等模块，可以做到对信息准确的处理，基本实现预想的功能。可以节省医护人员的精力和减少资源上的浪费。下一步将融合更多模块，使其可实现更多的功能。

参考文献

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目“医药品智能分发机器人”（项目号：202110066024）

作者简介：倪秉轩（2001-），男，本科生，自动化（电气技术教育方向）专业。