医疗服务机器人结构数字化设计(附件)
随着我国进入老龄化，医疗、护理和康复的需求不断增加，同时由于人们对生活品质追求的提高，使得医疗不管在质上还是量上都要满足更高水准的要求。我们设计了一种医疗服务机器人。具有体积小巧，使用灵活，趣味性强，适用性广，智能化程度高等优点。整个机器人平台主要以STC89C52R单片机为控制核心，通过自动控制实现对医疗过程的自动模拟，路径自动规划，医疗动作的模拟实现。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。最后将各个调试成功的模块结合到机器人上，结合程序通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，使机器人可以智能化运转。关键词 医疗服务机器人，STC89C52R，自动模拟。
目 录
1绪论 1
1.1 医疗服务机器人概述 1
1.2医疗服务机器人工作原理 2
1.3医疗服务机器人国内外研究现状3
2 医疗服务机器人系统的总体设计 4
3 医疗服务机器人机械结构的设计 7
3.1机器人底盘结构的设计 7
3.2机器人机械手结构的设计 10
4 医疗服务机器人控制电路的设计12
4.1主控单元的设计 12
4.2电机驱动的设计 13
4.3舵机控制器设计 14
5 医疗服务机器人软件的设计 14
5.1机器人基本运动程序的设计 14
5.2机器人基本寻迹程序的设计 15
5.3机器人舵机控制程序的设计 16
5.4机器人主控制程序的设计 18
结论 21
致谢 22
参考文献23
附录A 机器人设计图 24
附录B 机器人实物图 25
1 绪论
1.1 医疗服务机器人概述
医疗服务机器人主要是指能够直接为医生提供帮助，帮助医生对病人进行手术治疗的服务机器人。
医疗外科机器人是医疗服务机器人的典型代表，他可以由医生对机器人进行遥控操作，在医生难以直接进行手术的部位由机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
器人准确地完成各种手术。而外科手术导航系统和可以进入人体的微机器人诊疗系统也都可以为医生进行手术提供必要的手术信息和辅助手段。因此，采用医疗服务机器人进行手术可以减小创面、缩短手术时间，从而达到减少病人痛苦，并使病人早日痊愈的目的。
医疗服务机器人是机材学院机器人创新实验室参加全国机器人竞赛的一个项目。医疗服务机器人规定动作的比赛项目是中国机器人大赛的子项目，比赛场地如图11所示，地面为绿色地毯，长6 000mm，宽4 000mm。机器人行走的引导线宽度为24mm，放入白色亚光纸条 (双面胶) ，虚线引导线在比赛中不存在。A、B病床长2 000mm，宽1 000mm，床面离地面500mm。床头柜长500mm，宽500mm，高400mm。Q、R、S处的白线，长500mm，宽24mm，垂直于QRS，QR=RS=1 250mm。起点区 (即终点区) 宽600mm，长800mm。比赛中，机器人需要完成查病房任务和送药任务。根据比赛规则，比赛过程中，机器人需要能识别起跑线、停止线和赛道导引线，在没有导引线的部分路段，能自主完成任务。机器人按顺序完成如下动作。
机器人查病房:机器人从起点出发前行，沿白色亚光纸条线，经R、Q，再到M (Q到M没有引导线) ，与A床病人进行交流，之后，经Q、R、S到N (S到N没有引导线) ，与B床病人进行交流。再经S、R回到终点区。
（2）机器人送药:机器人从起点区出发，沿白色亚光纸条线经R、S，将药瓶从护士台送到床头柜A、床头柜B。先送到床头柜A还是先送到床头柜B抽签决定。
药瓶初始被放置在高度为300mm的护士台上，最终要被转移到高度为400mm的床头柜上。药瓶最终放置的位置精度不同，得分不同。
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图11医疗服务机器人规定动作比赛场地示意
1.2 医疗服务机器人工作原理
医疗服务机器人以STC89C52R为主芯片，使用四轮驱动，用四个电机分别驱动四个轮子。通过电机来调节车轮的转速从而可以实现控制转向的功能。在机器人的车体左右分别安装红外线光电传感器，通过黑白线来检测循迹的功能：当黑线的边界被机器人左侧的传感器检测到的时候，会向单片机发送一个信号，当单片机接收到信号的时候，会控制左轮电机，小车开始向左调整方向;同理当小车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片开始控制小车右轮的电机，使其减速，小车开始向右修正。在小车的前部分安装了一个红外线光电开光来实现避障，当障碍物被传感器检测到的时候，车轮开始转动，机器人避开障碍物继续行驶。
红外遥控部分是由发射和接收两部分组成，采用红外遥控器的2，4，6，8键来控制小车的前进，后退，左转，右转，当红外遥控器的数字键按下的时候，经过发射端的编码和调制，再通过电转换放大器，发送给接收端的红外接收头，通过一系列的过程来完成红外遥控的这个过程。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
美国的Helpmate机器人是美国TRC公司1985年开始研制的，在医院和疗养院中，其是作为护士助手的机器人系统，其是部提供给医院和疗养院用的运送物品的自主式车辆，其可以在护理单位和后勤部门之间来回行驶，取送物品，而不需要护士离开他们的病人去取物品。如图1所示。Helpmate机器人的大小像一台电冰箱。其采用了视觉、超声波接近觉和红外接近觉的传感器，能在过道和电梯内自主行驶。视觉系统是结构光投射系统，使光线投影与车辆前方的物体相交，用三角测量法得出距离和方位信息。另一种视觉系统注视顶灯有规则的陈列，得出机器人在过道中的位置和方向。用超声波接近觉和漫反射红外接近觉的传感器来测量到障碍物和墙壁的距离。其最大的优点是不需要导航，使用医院的编程地图就可以规划出到达目的地的最佳路线。在行进中，若遇到障碍物，其就会自动停下来，并且规划出一条绕过障碍物的路线。若不能绕过，其就会闪光，并且发出：“请移开障碍物，我的道路被阻塞。”
/
图11 Helpmate机器人
1994年，美国的ComPuterMotion公司研制成功AESOPTM手术机器人，如图12所示。此系统能模仿人手臂的功能，取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要，提供比人为控制更加精确、更加一致的镜头运动，为医生提供直接、稳定的手术视野。1996年初，ComPuterMotion公司应用研制AESOPTM机器人积累的在计算机和机器人方面的关键技术，推出了ZEUSTM遥操作机器人外科手术系统，如图3所示，用于微创手术。ZEUSTM系统采用主从遥操作技术，其分为Surgeon—side子系统和Patient—side子系统。Surgeon—side是由一对遥操作主手和监视器构成，Patient—side由两个用于定位的机器人的手臂和一个控制内窥镜位置的机器人的手臂组成。
目 录
1绪论 1
1.1 医疗服务机器人概述 1
1.2医疗服务机器人工作原理 2
1.3医疗服务机器人国内外研究现状3
2 医疗服务机器人系统的总体设计 4
3 医疗服务机器人机械结构的设计 7
3.1机器人底盘结构的设计 7
3.2机器人机械手结构的设计 10
4 医疗服务机器人控制电路的设计12
4.1主控单元的设计 12
4.2电机驱动的设计 13
4.3舵机控制器设计 14
5 医疗服务机器人软件的设计 14
5.1机器人基本运动程序的设计 14
5.2机器人基本寻迹程序的设计 15
5.3机器人舵机控制程序的设计 16
5.4机器人主控制程序的设计 18
结论 21
致谢 22
参考文献23
附录A 机器人设计图 24
附录B 机器人实物图 25
1 绪论
1.1 医疗服务机器人概述
医疗服务机器人主要是指能够直接为医生提供帮助，帮助医生对病人进行手术治疗的服务机器人。
医疗外科机器人是医疗服务机器人的典型代表，他可以由医生对机器人进行遥控操作，在医生难以直接进行手术的部位由机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
器人准确地完成各种手术。而外科手术导航系统和可以进入人体的微机器人诊疗系统也都可以为医生进行手术提供必要的手术信息和辅助手段。因此，采用医疗服务机器人进行手术可以减小创面、缩短手术时间，从而达到减少病人痛苦，并使病人早日痊愈的目的。
医疗服务机器人是机材学院机器人创新实验室参加全国机器人竞赛的一个项目。医疗服务机器人规定动作的比赛项目是中国机器人大赛的子项目，比赛场地如图11所示，地面为绿色地毯，长6 000mm，宽4 000mm。机器人行走的引导线宽度为24mm，放入白色亚光纸条 (双面胶) ，虚线引导线在比赛中不存在。A、B病床长2 000mm，宽1 000mm，床面离地面500mm。床头柜长500mm，宽500mm，高400mm。Q、R、S处的白线，长500mm，宽24mm，垂直于QRS，QR=RS=1 250mm。起点区 (即终点区) 宽600mm，长800mm。比赛中，机器人需要完成查病房任务和送药任务。根据比赛规则，比赛过程中，机器人需要能识别起跑线、停止线和赛道导引线，在没有导引线的部分路段，能自主完成任务。机器人按顺序完成如下动作。
机器人查病房:机器人从起点出发前行，沿白色亚光纸条线，经R、Q，再到M (Q到M没有引导线) ，与A床病人进行交流，之后，经Q、R、S到N (S到N没有引导线) ，与B床病人进行交流。再经S、R回到终点区。
（2）机器人送药:机器人从起点区出发，沿白色亚光纸条线经R、S，将药瓶从护士台送到床头柜A、床头柜B。先送到床头柜A还是先送到床头柜B抽签决定。
药瓶初始被放置在高度为300mm的护士台上，最终要被转移到高度为400mm的床头柜上。药瓶最终放置的位置精度不同，得分不同。
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图11医疗服务机器人规定动作比赛场地示意
1.2 医疗服务机器人工作原理
医疗服务机器人以STC89C52R为主芯片，使用四轮驱动，用四个电机分别驱动四个轮子。通过电机来调节车轮的转速从而可以实现控制转向的功能。在机器人的车体左右分别安装红外线光电传感器，通过黑白线来检测循迹的功能：当黑线的边界被机器人左侧的传感器检测到的时候，会向单片机发送一个信号，当单片机接收到信号的时候，会控制左轮电机，小车开始向左调整方向;同理当小车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片开始控制小车右轮的电机，使其减速，小车开始向右修正。在小车的前部分安装了一个红外线光电开光来实现避障，当障碍物被传感器检测到的时候，车轮开始转动，机器人避开障碍物继续行驶。
红外遥控部分是由发射和接收两部分组成，采用红外遥控器的2，4，6，8键来控制小车的前进，后退，左转，右转，当红外遥控器的数字键按下的时候，经过发射端的编码和调制，再通过电转换放大器，发送给接收端的红外接收头，通过一系列的过程来完成红外遥控的这个过程。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
美国的Helpmate机器人是美国TRC公司1985年开始研制的，在医院和疗养院中，其是作为护士助手的机器人系统，其是部提供给医院和疗养院用的运送物品的自主式车辆，其可以在护理单位和后勤部门之间来回行驶，取送物品，而不需要护士离开他们的病人去取物品。如图1所示。Helpmate机器人的大小像一台电冰箱。其采用了视觉、超声波接近觉和红外接近觉的传感器，能在过道和电梯内自主行驶。视觉系统是结构光投射系统，使光线投影与车辆前方的物体相交，用三角测量法得出距离和方位信息。另一种视觉系统注视顶灯有规则的陈列，得出机器人在过道中的位置和方向。用超声波接近觉和漫反射红外接近觉的传感器来测量到障碍物和墙壁的距离。其最大的优点是不需要导航，使用医院的编程地图就可以规划出到达目的地的最佳路线。在行进中，若遇到障碍物，其就会自动停下来，并且规划出一条绕过障碍物的路线。若不能绕过，其就会闪光，并且发出：“请移开障碍物，我的道路被阻塞。”
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图11 Helpmate机器人
1994年，美国的ComPuterMotion公司研制成功AESOPTM手术机器人，如图12所示。此系统能模仿人手臂的功能，取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要，提供比人为控制更加精确、更加一致的镜头运动，为医生提供直接、稳定的手术视野。1996年初，ComPuterMotion公司应用研制AESOPTM机器人积累的在计算机和机器人方面的关键技术，推出了ZEUSTM遥操作机器人外科手术系统，如图3所示，用于微创手术。ZEUSTM系统采用主从遥操作技术，其分为Surgeon—side子系统和Patient—side子系统。Surgeon—side是由一对遥操作主手和监视器构成，Patient—side由两个用于定位的机器人的手臂和一个控制内窥镜位置的机器人的手臂组成。
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