CN114162498A - 一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，属于机器人设计领域，包括底盘，移动机构、抬升机构、机械抓取机构和控制单元；抬升机构包括剪叉装配组件和驱动组件；剪叉装配组件设置于底盘与机械抓取机构之间，驱动组件连接并驱动剪叉装配组件底部的动态端沿底盘滑动以使剪叉装配组件的行程增大或减小从而使机械抓取机构抬升或降低；控制单元用于使移动机构沿预设轨迹运动并在每个标记点通过驱动抬升机构和机械抓取机构进行防疫垃圾采集，从而将预设轨迹沿途的防疫垃圾运输到指定位置。本发明在运输方面的预留有较大的空间同时机器人可变形使得在非工作时段不会占用过多空间并且自动化程度高，可以减少病毒的传播及人力的消耗。

Description

一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人

技术领域

本发明属于机器人设计领域，更具体地，涉及一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人。

背景技术

在医院里，医生接触病人之前，需要穿着数层防护措施，穿过层层隔离区，稍有不慎就可能被病人传染。在实际情况中，有一些比较简单的任务不需要医生护士亲自操作，比如收集医用物资、运输防疫垃圾等等。

医疗物资搬运机器人目前还没有大范围普及使用，主要原因是现有的医疗机器人成本高、安全性能不足、自动化程度不足运行不够稳定、对周围环境存在一定的影响、承载的限度不够、运输空间太小等。造成这些不足的原因是现有多数医疗物资搬运机器人的机械机构设计不够合理，没能在紧凑的机械机构中实现物资识别、物资收集和物资搬运三个功能，机械臂的稳定程度不高，很难保证准确、高效地识别并收集物资。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其目的在于在通过将移动机构、抬升机构、机械抓取机构和控制单元集成于机器人中实现对防疫垃圾的自动识别、收集和搬运，由此解决现有机器人机械结构设计不合理，无法在紧凑的机械机构中实现物资识别、物资收集和物资搬运的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，包括底盘，移动机构、抬升机构、机械抓取机构和控制单元；

所述移动机构设置于所述底盘；

所述抬升机构包括剪叉装配组件和驱动组件；所述剪叉装配组件包括底部静态端、底部动态端、顶部静态端和顶部动态端，所述底部静态端连接于所述底盘的一端，所述底部动态端滑动连接于所述底盘的另一端；所述顶部静态端与所述机械抓取机构的一端连接，所述顶部动态端与所述机械抓取机构的一端滑动连接；所述驱动组件连接并驱动所述底部动态端沿所述底盘滑动以使剪叉装配组件的行程增大或减小从而使所述机械抓取机构抬升或降低；

所述控制单元设置于所述底盘，包括循迹模块、识别模块和控制模块；所述循迹模块和识别模块通过串口与所述控制模块连接；

所述控制模块向所述移动机构发送启动指令并使所述移动机构沿预设轨迹运动，所述循迹模块用于在所述移动机构运动过程中实时识别机器人的位置信息，并将所述位置信息传输至所述控制模块以纠正机器人在运动过程中的位置偏移；当机器人运动至预设轨迹的标记点处，所述识别模块用于识别防疫垃圾信息，并将识别信息发送至所述控制模块，所述控制模块根据所述识别信息驱动所述移动机构转向以使机器人正对于防疫垃圾，同时驱动所述抬升机构和机械抓取机构进行防疫垃圾采集，从而实现将预设轨迹沿途的防疫垃圾进行收集。

优选地，所述驱动组件包括滚珠丝杆、电机和多个齿轮；所述电机的输出轴设有齿轮，所述滚珠丝杆的一端设有齿轮，且两齿轮相啮合设置；所述滚珠丝杆设有与所述剪叉装配组件底部的动态端连接的连接杆；所述电机输出轴转动通过齿轮驱动所述滚珠丝杆的连接杆直线移动，以实现所述剪叉装配组件底部的动态端滑动。

优选地，所述抬升机构还包括滑块和滑轨，所述滑轨设置于所述底盘边框，所述滑块的一端连接于所述剪叉装配组件底部的动态端，其另一端安装在所述滑轨。

优选地，所述机械抓取机构包括U型底座、气缸夹子组件和步带组件；所述步带组件设置于所述U型底座的两侧，所述气缸夹子组件设置于两步带组件之间并在所述步带组件驱动下沿所述U型底座外侧移动。

优选地，所述步带组件包括同步带主动轮、同步带从动轮、同步带和同步带压板；所述同步带主动轮和同步带从动轮沿所述气缸夹子组件移动方向相对设置，所述同步带套设于所述同步带主动轮和同步带从动轮之间；所述同步带压板装配于所述同步带，并随所述同步带运动带动所述气缸夹子组件同步运动。

优选地，所述气缸夹子组件包括气缸和机械爪，所述气缸的输出轴连接于所述机械爪的末端，所述气缸的输出轴伸缩带动所述机械爪向内转动从而抓取物品。

优选地，所述移动机构包括麦克纳姆轮、避震弹簧、避震套和悬挂固定件；所述悬挂固定件设置于所述底盘；所述避震套的一端连接于所述悬挂固定件，其另一端与装配所述麦克纳姆轮的轮罩连接。

优选地，所述麦克纳姆轮设有四个，四个所述麦克纳姆轮分别通过四个驱动电机独立控制。

优选地，所述控制单元包括循迹模块、主动控制芯片和从动控制芯片；所述主动控制芯片与所述从动控制芯片通过can总线进行通讯；所述循迹模块通过串口与所述主动控制芯片连接；

所述循迹模块包括灰度传感器和超声波传感器；所述超声波传感器设置于所述底盘的前端，用于感应机器人前方的行人或出现的障碍物，并将感应信号传输至所述主动控制芯片；所述灰度传感器安装于所述底盘的两边，用于识别机器人的位置信息，并将位置信息传输至所述主动控制芯片以纠正机器人在运动过程中位置偏移。

优选地，所述控制单元还包括Maix Bit系统板，所述Maix Bit系统板通过串口与所述主动控制芯片通讯连接；所述Maix Bit系统板用于捕获并读取防疫垃圾信息并将防疫垃圾相对于屏幕的位置参数传输至所述主动控制芯片；所述主动控制芯片接收位置参数后发送调整信号至所述移动机构，以使所述机械抓取机构正对于待收集防疫垃圾前方。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人通过控制单元控制移动机构、抬升机构和机械抓取机构能够按照指定的轨迹进行巡逻运输，并在每个标记点进行防疫垃圾的采集，最终将沿途的防疫垃圾运输到指定的垃圾处理点，自动化程度高，可以减少病毒的传播及人力的消耗，并且所述抬升机构可以在运输方面的预留有较大的空间同时机器人可变形使得在非工作时段不会占用过多空间；

2、本发明提出的基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人采用了滚珠丝杆控制剪叉式的抬升机构，最大程度的保证了在抬升拿取防疫垃圾的稳定性，同时剪叉式抬升机构的折叠性使得机器人的重心偏低更加稳健运行并且具有较小的占用空间；

3、本发明提出的基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人采用了步带组件带动机械爪的前移，并采用了气缸控制机械爪的收缩，保证了抓取力度，可抓稳较重的防疫垃圾；

4、本发明提出的基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人的移动机构采用独立悬挂与麦克纳姆轮结构，在路面不平时能够保持车辆的行进稳定与转向，防止防疫垃圾泄漏造成污染；

5、本发明提出的基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人的循迹模块采用灰度传感器和超声波传感器实现联合控制，其中灰度传感器可以使机器人沿预先铺设的黑色轨迹线自动向前运动，超声波传感器可以让机器人自动感知周围可能存在的遮挡，在靠近可能触碰对象前自动减速、停止运动，从而实现安全运输。

附图说明

图1是本发明基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人的结构示意图。

图2是本发明基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人的结构正视图。

图3是本发明实施例剪叉装配组件与机械抓取机构连接结构示意图。

图4是本发明实施例剪叉装配组件与底盘连接结构示意图。

图5是本发明实施例底盘部分的结构正视图。

图6是本发明实施例底盘部分的结构侧视图。

图7是本发明实施例机械抓取机构的结构示意图。

图8是本发明实施例移动机构的结构示意图。

图9是本发明实施例驱动电机与麦克纳姆轮连接示意图。

图10是本发明实施例抬升机构的结构示意图。

图11是本发明实施例抬升机构中剪叉装配组件的结构示意图。

图12是本发明实施例抬升机构中驱动组件的结构示意图。

图13是本发明实施例中灰度传感器与超声波传感器在底盘安装位置的示意图。

图14是本发明实施例机械抓取机构的结构示意图。

图15是本发明实施例步带组件的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-麦克纳姆轮；2-避震弹簧；3-避震套；4-悬挂固定件；5-剪叉装配组件；6-齿轮；7-滚珠丝杆；8-电机；9-滑块；10-滑轨；11-灰度传感器；12-超声波传感器；13-气缸夹子组件；14-步带组件；15-同步带主动轮；16-同步带从动轮；17-同步带；18-同步带压板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-15所示，本发明提出了一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，包括安装于底盘上的移动机构、抬升机构、机械抓取机构和控制单元。

具体的，如图10、11和12所示，本发明中所述抬升机构采用了滚珠丝杆控制剪叉抬升的方案，包括剪叉装配组件5、若干齿轮6、滚珠丝杆7、电机8、滑块9和滑轨。所述电机8的输出轴设有齿轮，所述滚珠丝杆7的一端设有齿轮，且两齿轮相啮合设置；所述滚珠丝杆7设有与所述剪叉装配组件5底部的动态端连接的连接杆；所述电机8输出轴转动通过齿轮驱动所述滚珠丝杆7的连接杆直线移动，以实现所述剪叉装配组件5底部的动态端滑动，所述滑轨10设置于所述底盘边框，所述滑块9的一端连接于所述剪叉装配组件5底部的动态端，其另一端安装在所述滑轨10。进一步地，所述剪叉装配组件5与机械抓取机构的连接方式为：剪叉装配组件5上部的静态端采用光轴加轴承，然后通过光轴座安装在机械抓取机构的U型底座上，剪叉装配组件5上部的动态端采用光轴加滑块的形式，使剪叉装配组件5可以精准的抬升和下降。

更进一步的说明，如图14和图15所示，本发明中所述机械抓取机构包括U型底座、气缸夹子组件13和步带组件14；所述步带组件14设置于所述U型底座的两侧，所述气缸夹子组件13设置于两步带组件14之间并在所述步带组件14驱动下沿所述U型底座外侧移动。所述步带组件14包括同步带主动轮15、同步带从动轮16、同步带17和同步带压板18；所述同步带主动轮15和同步带从动轮16沿所述气缸夹子组件13移动方向相对设置，所述同步带17套设于所述同步带主动轮15和同步带从动轮16之间；所述同步带压板18装配于所述同步带17，并随所述同步带17运动带动所述气缸夹子组件13同步运动。所述气缸夹子组件13包括气缸和机械爪，所述气缸的输出轴连接于所述机械爪的末端，所述气缸的输出轴伸缩带动所述机械爪向内转动从而抓取物品。

更进一步的说明，如图8和图9所示，本发明中移动机构包括麦克纳姆轮1、避震弹簧2、避震套3和悬挂固定件4；所述悬挂固定件4设置于所述底盘；所述避震套3的一端连接于所述悬挂固定件4，其另一端与装配所述麦克纳姆轮1的轮罩连接。如图8展示了机器人的底盘结构，其中轮子采用了麦克纳姆轮，从图9中可见其与一个驱动电机直接通过加工件相连，独立悬挂通过避震弹簧2套在避震套3上实现避震的功能，整个悬挂通过特制的悬挂固定件4与机器人底盘铝架直接相连。

本发明的实施例中，所述控制单元包括循迹模块、主动控制芯片、从动控制芯片和Maix Bit系统板，其中所述循迹模块包括灰度传感器11和超声波传感器12，所述超声波传感器12安装于所述底盘的前端；所述灰度传感器11设有4个，4个灰度传感器11分别对称安装于底盘的左右两边。

更进一步的说明，本发明的实施例中，主动控制芯片和从动控制芯片独立安装，通过一根can总线进行通讯，其中STM32F105R8T6板为主动控制芯片（Master），STM32F103C8T6板为从动控制芯片(Slave)，STM32F105R8T6的can1与STM32F103C8T6的can1直接连接，进行通讯。STM32F105R8T6作为底盘控制板，其can2与底盘四个驱动电机的电子调速器直接连接，负责控制底盘四个麦克纳姆轮的驱动电机并接收底盘四个麦克纳姆轮反馈的数据。STM32F103C8T6作为上层控制板，其can1连接了上层两个抬升电机8的电子调速器以及步带组件中前移电机的电子调速器，实现控制和接收反馈数据。底盘上安装的4个灰度传感器通过GPIO与STM32F105R8T6进行连接，分别连在P10、P11、P12、P13四个端口上。两个超声波传感器由STM32F105R8T6的串口2和串口3进行控制，接收数据并利用超声波检测到的距离数据对小车的运动状态进行控制。Maix Bit最小系统板作为视觉主控板，通过串口4与STM32F105R8T6进行连接，将检测到的防疫垃圾的位置数据反馈给STM32F105R8T6。

本发明中，防疫垃圾收集机器人的工作过程为：先根据预先设定的路线完成循迹任务，当移动至防疫垃圾附近处，进行识别任务并判断面前是否有干扰抓取的物体，若没有则驱动机械抓取机构进行抓取任务；抓取任务完成后，判断是否收到停止工作结束指令，若未收到则继续按预设路线循迹并重复以上步骤，若收到结束指令，则断电停止工作。

具体的，本发明的实施例中所有工作任务均通过控制单元实现全自动控制，所述控制单元采用FreeRTOS操作系统作为控制基础，使用C语言实现防疫垃圾机器人的各种功能。通过设计循迹任务、避障任务、识别任务、机械臂抓取任务等任务并设定任务优先级来实现机器人对各项任务的合理规划，从而完成各项任务。

本发明的实施例中，循迹任务是通过在机器人底盘左右两边各安装两个灰度传感器，如果机器人的位置发生偏移，灰度传感器就会发生变化，机器人相应地就会作出反应，从而使机器人一直沿着既定轨道运行。具体过程为：循迹任务开始后，通过灰度传感器对机器人轨道偏离进行检测，若偏离则修改麦克纳姆轮的偏转角度从而使机器人回归既定轨道。

本发明的实施例中，识别任务是通过摄像头与Maix Bit最小系统板来实现，MaixBit最小系统板，基于python环境进行开发。采用二维码识别与定位的代码检测相应防疫垃圾的位置，并通过串口通讯与STMF105R8T6主控板进行通讯，采取加密方法，反馈数据控制底盘进行相应的对齐操作，最终实现自动识别防疫垃圾的功能。在Maix Bit捕获到医疗物资的二维码信息后，会自动读取防疫垃圾信息并将物资相对于屏幕的位置参数传给主控板。其中四个位置参数分别定义为x1,y1,w1,h1。其中，x1表示防疫垃圾中心点相对于屏幕x轴的位置，y1表示防疫垃圾中心点相对于屏幕y轴的位置，w1表示屏幕的宽度，h1表示屏幕的高度。在主控板接收到防疫垃圾的相应位置数据后，会让底盘自动调整位置，直到识别检测到防疫垃圾在屏幕的正前方，由于屏幕与机械爪位于同一水平线上，因此这时候防疫垃圾也位于机械爪的正前方。

本发明的实施例中，机械抓取任务的抓取流程包括一级抬升、机械爪打开、机械爪前移、夹住防疫垃圾、二级抬升、机械爪收回、将防疫垃圾放入机器人的收纳仓内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，包括底盘，移动机构、抬升机构、机械抓取机构和控制单元；

所述移动机构设置于所述底盘；

所述抬升机构包括剪叉装配组件（5）和驱动组件；所述剪叉装配组件（5）设有底部静态端、底部动态端、顶部静态端和顶部动态端，所述底部静态端连接于所述底盘的一端，所述底部动态端滑动连接于所述底盘的另一端；所述顶部静态端与所述机械抓取机构的一端连接，所述顶部动态端与所述机械抓取机构的一端滑动连接；所述驱动组件连接并驱动所述底部动态端沿所述底盘滑动以使剪叉装配组件（5）的行程增大或减小从而使所述机械抓取机构抬升或降低；

所述控制单元设置于所述底盘，包括循迹模块、识别模块和控制模块；所述循迹模块和识别模块与所述控制模块通讯连接；

所述控制模块向所述移动机构发送启动指令并使所述移动机构沿预设轨迹运动，所述循迹模块用于在所述移动机构运动过程中实时识别机器人的位置信息，并将所述位置信息传输至所述控制模块以纠正机器人在运动过程中的位置偏移；当机器人运动至预设轨迹的标记点处，所述识别模块用于识别防疫垃圾信息，并将识别信息发送至所述控制模块，所述控制模块根据所述识别信息驱动所述移动机构转向以使机器人正对于防疫垃圾，同时驱动所述抬升机构和机械抓取机构进行防疫垃圾采集，从而实现将预设轨迹沿途的防疫垃圾进行收集。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述驱动组件包括滚珠丝杆（7）、电机（8）和多个齿轮（6）；所述电机（8）的输出轴设有齿轮，所述滚珠丝杆（7）的一端设有齿轮，且两齿轮相啮合设置；所述滚珠丝杆（7）设有与所述剪叉装配组件（5）底部的动态端连接的连接杆；所述电机（8）输出轴转动通过齿轮驱动所述滚珠丝杆（7）的连接杆直线移动，以实现所述剪叉装配组件（5）底部的动态端滑动。

3.根据权利要求2所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述抬升机构还包括滑块（9）和滑轨（10），所述滑轨（10）设置于所述底盘边框，所述滑块（9）的一端连接于所述剪叉装配组件（5）底部的动态端，其另一端安装在所述滑轨（10）。

4.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述机械抓取机构包括U型底座、气缸夹子组件（13）和步带组件（14）；所述步带组件（14）设置于所述U型底座的两侧，所述气缸夹子组件（13）设置于两步带组件（14）之间并在所述步带组件（14）驱动下沿所述U型底座外侧移动。

5.根据权利要求4所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述步带组件（14）包括同步带主动轮（15）、同步带从动轮（16）、同步带（17）和同步带压板（18）；所述同步带主动轮（15）和同步带从动轮（16）沿所述气缸夹子组件（13）移动方向相对设置，所述同步带（17）套设于所述同步带主动轮（15）和同步带从动轮（16）之间；所述同步带压板（18）装配于所述同步带（17），并随所述同步带（17）运动带动所述气缸夹子组件（13）同步运动。

6.根据权利要求5所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述气缸夹子组件（13）包括气缸和机械爪，所述气缸的输出轴连接于所述机械爪的末端，所述气缸的输出轴伸缩带动所述机械爪向内转动从而抓取物品。

7.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述移动机构包括麦克纳姆轮（1）、避震弹簧（2）、避震套（3）和悬挂固定件（4）；所述悬挂固定件（4）设置于所述底盘；所述避震套（3）的一端连接于所述悬挂固定件（4），其另一端与装配所述麦克纳姆轮（1）的轮罩连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述麦克纳姆轮（1）设有四个，四个所述麦克纳姆轮（1）分别通过四个驱动电机独立控制。

9.根据权利要求1所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述控制模块包括主动控制芯片和从动控制芯片，所述主动控制芯片与所述从动控制芯片通过can总线进行通讯；所述循迹模块通过串口与所述主动控制芯片连接；

所述循迹模块包括灰度传感器和超声波传感器；所述超声波传感器设置于所述底盘的前端，用于感应机器人前方的行人或出现的障碍物，并将感应信号传输至所述主动控制芯片；所述灰度传感器安装于所述底盘的两边，用于识别机器人的位置信息，并将位置信息传输至所述主动控制芯片以纠正机器人在运动过程中位置偏移。

10.根据权利要求9所述的一种基于自动控制系统的医疗防疫垃圾收集机器人，其特征在于，所述控制单元还包括Maix Bit系统板，所述Maix Bit系统板通过串口与所述主动控制芯片通讯连接；所述Maix Bit系统板用于捕获并读取防疫垃圾信息并将防疫垃圾相对于屏幕的位置参数传输至所述主动控制芯片；所述主动控制芯片接收位置参数后发送调整信号至所述移动机构，以使所述机械抓取机构正对于待收集防疫垃圾前方。

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