一种医疗服务机器人的制作方法

本发明属于教学用机器人技术领域，具体涉及一种医疗服务机器人。

背景技术：

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，比赛场地的地面为绿色地毯，长6000mm，宽4000mm。机器人行走的引导线，为宽度24mm放入白色亚光纸条（双面胶），部分路段没有引导线。比赛中的病床长2000mm，宽1000mm，床面离地面500mm。床头柜长500mm，宽500mm，高400mm。

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。机器人按顺序完成机器人查病房和机器人送药任务，将药瓶从护士台，先送到床头柜a还是先送到床头柜b，抽签决定。药瓶的初始放置高度为300mm的护士台，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。

根据比赛规则，要想完成比赛任务，除了机械机构设计以外，还要根据比赛任务设计好控制系统，否则，机器人不能够自主完成任务。

目前的实验设备，特别高等教育的实验设备，针对竞赛环节开发的实验设备比较少，刚开始参加竞赛的学生，概念比较模糊，所以很有必要开发相关的医疗服务机器人，对学生参赛进行引导。

技术实现要素：

为了解决上述的基于竞赛的医疗服务机器人的构建难题，本发明设计了一种医疗服务机器人，可以实现机器人的基本运动，循线运动，检测一定距离内的障碍物，驱动机械臂、手爪抓取、放置物体，播放语音信号。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种医疗服务机器人，其特征在于，包括车体、车轮、控制系统以及机械臂，所述车轮分别通过固定支架与所述车体连接，所述机械臂设置在所述车体上，所述控制系统驱动所述车体运动及所述机械臂动作；所述机械臂包括连杆ⅰ、连杆ⅱ、连杆ⅲ和手爪，所述连杆ⅰ和所述连杆ⅱ通过舵机ⅰ连接，所述连杆ⅱ和所述连杆ⅲ通过舵机ⅱ连接，所述连杆ⅲ和所述手爪连接；所述手爪通过舵机ⅲ的旋转实现所述手爪的开合。

进一步，所述手爪包括手爪u型架和手指,所述手指包括主动手指和从动手指；所述主动手指和从动手指的一端设置在所述手爪u型架的一侧壁上，且所述主动手指和从动手指的该端分别设置有一齿轮，两齿轮啮合；所述舵机ⅲ设置在所述手爪u型架的槽内，所述舵机ⅲ的输出轴通过相对应的舵盘与所述主动手指的齿轮连接。

进一步，所述手爪u型架是一u型板结构；u型板结构的底板上加工有安装连接孔以与所述连杆ⅲ连接。

进一步，所述主动手指和从动手指是一对相对设置的弧形结构。

进一步，所述连杆ⅰ的另一端固定在立柱上端，所述立柱下端通过固定支架固定在所述车体上。

进一步，所述固定支架是l型板结构，l型板结构的底板和立板上分别加工有安装孔；所述l型板结构的底板和立板的外端均加工成光滑的圆弧结构。

进一步，所述立柱是四棱柱结构。

进一步，所述连杆ⅰ和连杆ⅲ均是u型板结构；所述u型板结构的两侧壁上分别加工有多个安装孔以与相对应的舵机转动连接，所述u型板结构的其中一个侧壁与相对应的舵机输出轴之间通过舵盘转动连接；所述u型板结构的底板上还加工有多个安装连接孔。

进一步，所述舵盘是一圆形板结构，圆形板的中央开有通孔，通孔四周均布有连接过孔。

进一步，所述连杆ⅱ是一对相对且平行设置的矩形板，所述两矩形板对称设置在所述舵机ⅰ和舵机ⅱ的两侧，将所述舵机ⅰ和舵机ⅱ连接；所述矩形板的两端分别加工有连接用孔。

进一步，所述四个车轮分别通过相对应的固定架与所述车体连接；所述四个车轮分别通过联轴器与相对应的电机连接。

进一步，所述控制系统包括主控模块，电机驱动ⅰ、电机驱动ⅱ、电机ⅰ、电机ⅱ、电机ⅲ、电机ⅳ、前循迹模块、后循迹模块、左循迹模块、右循迹模块、光电开关ⅰ、光电开关ⅱ、舵机控制器、mp3播放器和扬声器；所述电机驱动ⅰ、电机驱动ⅱ、前循迹模块、后循迹模块、左循迹模块、右循迹模块、光电开关ⅰ、光电开关ⅱ、舵机控制器、mp3播放器分别与所述主控模块相对应的io口线路连接；所述电机ⅰ和电机ⅱ分别与电机驱动ⅰ线路连接；所述电机ⅲ和电机ⅳ分别与所述电机驱动ⅱ线路连接；所述舵机ⅰ、舵机ⅱ和舵机ⅲ分别与所述舵机控制器线路连接，所述mp3播放器和扬声器线路连接。

工作时，控制系统发送电机控制信号驱动各电机正转或反转，实现医疗服务机器人的前进、后退、左转前进、右转前进、左转后退、右转后退和停止等基本运动动作；控制系统根据自身的不同检测信号，判断医疗服务机器人的行走方位，不断矫正，使机器人能按程序设计的流程，循着行走导引线行走；控制系统依据其检测到的障碍物信号，按程序执行下一步动作；控制系统通过驱动各舵机可以实现机器人机械臂和手爪的一系列预定动作功能；控制系统还可以根据场景需求，驱动mp3播放器和扬声器，播放对应的语音信息。

该医疗服务机器人具有以下有益效果：

（1）本发明可以在设定的比赛场景，按照比赛规则，自动识别起跑线、停止线，和赛道导引线，在没有导引线的部分路段，自主完成任务，完成查病房任务和送药任务。

（2）本发明特别适合教学应用，学生可以快速上手，驱动医疗服务机器人完成设定任务。

附图说明

图1：本发明的医疗服务机器人系统架构示意图；

图2：本发明的医疗服务机器人竞赛场地布局示意图；

图3：本发明的医疗服务机器人车体布局示意图；

图4：本发明的医疗服务机器人机械臂整体结构示意图；

图5：本发明的机械臂连杆ⅰ和连杆ⅲ的零件视图（连杆ⅰ和连杆ⅲ结构类似）；

图6：本发明的机械臂舵盘的零件图；

图7：本发明的机械臂舵机安装示意图；

图8：本发明的手爪u型架零件图；

图9：本发明的手爪啮合示意图；

图10：本发明的手爪俯视图；

图11：本发明的机械臂复原状态示意图；

图12：本发明的机器人控制系统示意图。

附图标记说明：

1—主控模块；21—电机驱动ⅰ；22—电机驱动ⅱ；31—电机ⅰ；32—电机ⅱ；33—电机ⅲ；34—电机ⅳ；41—前循迹模块；42—后循迹模块；43—左循迹模块；44—右循迹模块；51—光电开关ⅰ；52—光电开关ⅱ；6—舵机控制器；71—舵机ⅰ；711—舵盘ⅰ；72—舵机ⅱ；721—舵盘ⅱ；73—舵机ⅲ；8—mp3播放器；9—扬声器；101—车轮；1011—左前轮；1012—右前轮；1013—左后轮；1014—右后轮；102—车体；103—立柱；104—固定支架；105—连杆ⅰ；106—连杆ⅱ；107—连杆ⅲ；108—手爪；1081—手爪u型架；1082—手指,10821—主动手指，10822—从动手指。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

图1至图12示出了一种医疗服务机器人，包括车轮101、车体102、控制系统以及医疗服务机器人的机械臂。车轮101分别通过固定支架与车体102连接，机械臂设置在车体102上，控制系统驱动车体102运动及机械臂动作。车轮101分别是左前轮1011、右前轮1012、左后轮1013和右后轮1014。

如图1和图4所示，医疗服务机器人的机械臂包括立柱103、固定支架104、连杆ⅰ105、舵机ⅰ71、连杆ⅱ106、舵机ⅱ72、连杆ⅲ106、舵机ⅲ73和手爪108。其中，立柱103下端通过四个固定支架104固定在车体102上，用于支撑机械臂，提供抓取药瓶的高度；连杆ⅰ105一端设置在立柱103上端，连杆ⅰ105另一端和连杆ⅱ106一端分别与舵机ⅰ71连接，连杆ⅱ106另一端和连杆ⅲ107一端分别与舵机ⅱ72连接，连杆ⅲ107另一端和手爪108分别与舵机ⅲ73连接；连杆ⅱ106和连杆ⅲ107分别通过舵机ⅰ71和舵机ⅱ72的旋转实现旋转自由度；舵机ⅲ73通过左右旋转驱动手爪108的齿轮转动，实现手爪108的开合。立柱103是四棱柱结构。

固定支架104是l型板结构，l型结构的底板和立板上分别加工有安装孔，以便于将立柱103安装连接在车体102上。l型结构的底板和立板的外端均加工成了光滑的圆弧结构，以免划伤安装操作人员。

连杆ⅰ105和连杆ⅲ107均是u型板结构，如图4和图5所示。u型板结构的两侧壁上分别加工有多个安装孔以与相对应的舵机转动连接，u型板结构的其中一个侧壁与相对应的舵机输出轴之间通过舵盘转动连接。u型板结构的底板上也加工有多个安装连接孔。如连杆ⅰ105底板上的安装连接孔用于和立柱103连接，连杆ⅲ107底板上的安装孔用于和手爪108连接。本实施例中，舵盘ⅰ711和舵盘ⅱ721的结构相同，其结构示意图如图6所示，是一圆形板结构，圆形板的中央开有通孔，通孔四周均布有连接过孔。舵机的安装示意图如图7所示，舵机的输出轴通过舵盘和相对应的连杆连接。

如图4所示，连杆ⅱ106是一对相对平行设置的矩形板，对称设置在舵机ⅰ71和舵机ⅱ72的两侧，将舵机ⅰ71和舵机ⅱ72连接。矩形板的两端分别加工有连接用孔。

手爪108包括手爪u型架1081和手指1082,手指1082包括主动手指10821和从动手指10822，如图4和图9、图10所示。手爪u型架1081的结构如图11所示，是一个u型板结构。主动手指10821和从动手指10822的一端设置在手爪u型架1081的一侧壁上，且主动手指10821和从动手指10822的该端分别设置有一齿轮，两齿轮啮合。舵机ⅲ73设置在手爪u型架1081的槽内，舵机ⅲ73的输出轴通过舵盘与主动手指10821的齿轮连接，舵机ⅲ73通过左右旋转驱动主动手指10821的齿轮转动，从而带动主动手指10821和从动手指10822开合，实现手爪108的开合。手爪u型架1081的底板上加工有安装连接孔以与连杆ⅲ107的u型底部连接。

医疗服务机器人控制系统包括主控模块1，电机驱动ⅰ21、电机驱动ⅱ22、电机ⅰ31、电机ⅱ32、电机ⅲ33、电机ⅳ34、前循迹模块41、后循迹模块42、左循迹模块43、右循迹模块44、光电开关ⅰ51、光电开关ⅱ52、舵机控制器6、mp3播放器8和扬声器9，如图3和图12所示。电机驱动ⅰ21、电机驱动ⅱ22、前循迹模块41、后循迹模块42、左循迹模块43、右循迹模块44、光电开关ⅰ51、光电开关ⅱ52、舵机控制器6、mp3播放器8分别与主控模块1相对应的io口线路连接；电机ⅰ31和电机ⅱ32分别与电机驱动ⅰ21线路连接；电机ⅲ33和电机ⅳ34分别与电机驱动ⅱ22线路连接；舵机ⅰ71、舵机ⅱ72和舵机ⅲ73分别与舵机控制器6线路连接，mp3播放器8和扬声器9线路连接。

舵机控制器6与主控模块1相对应的io口线路连接，舵机ⅰ71、舵机ⅱ72和舵机ⅲ73分别与舵机控制器6线路连接。舵机控制器6能够驱动舵机ⅰ71、舵机ⅱ72和舵机ⅲ73分别按一定角度转动，使医疗服务机器人的机械臂和手爪执行一定的动作；舵机控制器6也可以储存舵机ⅰ71、舵机ⅱ72和舵机ⅲ73转动角度，当医疗服务机器人的机械臂和手爪，需要重复执行一个已经调试好的动作时，舵机控制器6可以直接调用该存储动作，或者主控模块1下达命令给舵机控制器6执行该动作，舵机控制器6调用该存储动作，实现机械臂和手爪的预定动作功能；舵机控制器6也可以把多个转动动作存储为动作数组，当医疗服务机器人的机械臂和手爪，需要按顺序重复执行一系列已经调试好的动作时，舵机控制器6可以直接调用该存储动作数组，或者主控模块1下达命令给舵机控制器6执行该动作数组，舵机控制器6调用该存储动作数组，实现机械臂和手爪的一系列预定动作功能。

电机ⅰ31、电机ⅱ32、电机ⅲ33和电机ⅳ34，为直流电机，每个电机需要3个控制信号in1、in2和en1，en1为使能信号。电机的两个电极in1、in2，是电机转动方向控制信号，分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。给en1输入pwm信号，调整pwm的占空比，可以调整电机转速。因此，电机驱动ⅰ21可以控制电机ⅰ31、电机ⅱ32的正转、反转和速度调节，电机驱动ⅱ22可以控制电机ⅲ33，电机ⅳ34的正转、反转和速度调节。车轮1011通过联轴器与电机ⅰ31连接，车轮1012通过联轴器与电机ⅱ32连接，车轮1013通过联轴器与电机ⅲ33连接，车轮1014通过联轴器与电机ⅳ34连接。

主控模块1发送电机控制信号给电机驱动ⅰ21和电机驱动ⅱ22，电机驱动ⅰ21驱动电机ⅰ31和电机ⅱ32，进行正转、反转或调速，电机驱动ⅱ22驱动电机ⅲ33和电机ⅳ34，进行正转、反转或调速，实现医疗服务机器人的前进、后退、左转前进、右转前进、左转后退、右转后退、速度调节和停止等基本运动动作。

前循迹模块41包括七套循迹传感器和传递控制信号的线缆，后循迹模块42包括五套循迹传感器和传递控制信号的线缆，左循迹模块43包括一套循迹传感器和传递控制信号的线缆，右循迹模块44包括一套循迹传感器和传递控制信号的线缆。前循迹模块41、后循迹模块42、左循迹模块43和右循迹模块44，可以检测到医疗服务机器人的行走导引线，主控模块1依据前循迹模块41、后循迹模块42、左循迹模块43和右循迹模块44的不同检测信号，判断医疗服务机器人的行走方位，不断矫正，使机器人能按程序设计的流程，循着行走导引线行走。

光电开关ⅰ51和光电开关ⅱ52，可以检测前方障碍物，检测距离，可以由光电开关ⅰ51和光电开关ⅱ52的调节电路设定。在机器人查病房和送药的任务完成过程中，如图2所示，机器人经r、q，再到m的过程中，q到m没有引导线，机器人经q、r、s到n过程中，s到n没有引导线，这两个过程中，需要判断是否到达预定地点，就通过光电开关ⅰ51和光电开关ⅱ52，是否检测到障碍物来判别。主控模块1，依据光电开关ⅰ51和光电开关ⅱ52检测到前方障碍物的信号后，可以依据光电开关ⅰ51和光电开关ⅱ52预先设定的检测距离，判断出床头柜a或b离机器人的距离，使机器人能按程序设计的流程，进行停车，与病人进行交流、取药瓶、放药瓶。

mp3播放器8，可以播放存储器中存储的语音信息，并通过扬声器9把语音信息播放出来；医疗服务机器人查病房的任务完成过程中，机器人到达预定地点后，要和病人交流，主控模块1发送对应的语音播放命令，给mp3播放器8，mp3播放器8把对应的语音信息，发送给扬声器9，进行语音播放。

机械臂复位位置，参见图11，医疗服务机器人在运动过程中，机械臂处于复位状态，保证机器人的重心，位于车体的中点。否则，运动中的机器人，会由于重心不稳，会导致四个车轮对地面的摩擦力不均匀，机器人运动本体运动过程中会发生不可预料的偏转，不能按预定程序，稳定运转。机械臂处于复位位置，连杆ⅰ105与连杆ⅱ106的角度为60度，连杆ⅱ106与连杆ⅲ107的角度为120度，机械爪张开。机械爪的手爪舵机旋转90度，通过齿轮啮合，会带动手爪108合拢。

复位状态时，连杆ⅰ和连杆ⅱ成约60°角，连杆ⅱ与连杆ⅲ成约120°。取药时，舵机ⅰ收到指令开始转动，带动连杆ⅱ顺时针转动，使两杆角度变为90°，此时连杆ⅱ与地面垂直，舵机ⅱ也收到指令，带动连杆ⅲ顺时针转动，使连杆ⅲ与地面水平。舵机ⅲ收到指令，张开机械爪，取药结束，爪子闭合。放药时，舵机ⅰ带动连杆ⅱ逆时针转动，使连杆ⅰ、连杆ⅱ、连杆ⅲ成一条直线，舵机ⅲ收到指令，使爪子张开，放药结束。放药结束后，机械臂回到复位状态。

该医疗服务机器人参加中国机器人大赛的子项目，该医疗服务机器人规定动作的比赛场地，如图2所示，地面为绿色地毯，长6000mm，宽4000mm。机器人行走的引导线，为宽度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2000mm，宽1000mm，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=1250mm。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：

（1）机器人查病房：机器人从起点出发前行，沿白线，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，沿白线经r、s，将药瓶从护士台，送到床头柜a、床头柜b。

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。

按照本发明所提供的设计方案，参加竞赛的学生能携带本发明的医疗服务机器人控制系统，医疗服务机器人竞赛场地，经过程序编写，可以快速上手，驱动医疗服务机器人，完成设定任务。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。