李玉杰，宋晓萌，宋凌宁，许力丹

1 作品简介

iCAREbot医疗垃圾自动捡拾机器人具有以下特点：

（1）实现机器人在医院复杂环境下的灵活运动；

（2）设计能够灵活抓取/放置物品的机械手系统；

（3）机器人自主规划移动路径，在高速运动的同时能够自主规避障碍；

（4）机器人准确识别常见医疗垃圾，如纱布、针筒、一次性用品等；

（5）服务机器人能够与用户进行语音交互，完成一般指令；

（6）实现对室内空气质量的实时监测；

（7）协调各机构的运转，保证机构间相互配合；

（8）对设计的机构进行对应的校核计算，画出对应的三维及二维图纸；

（9）对上述三维设计图进行结构仿真模拟，检测其可行性与稳定性；

（10）对其进行不断优化和完善；

（11）根据最终得到的数据和控制结果进行模型搭建并调试。

机器人具体功能逻辑如图1所示。

图1 机器人功能逻辑图

机器人实物如图2所示。

图2 机器人

2 工作原理

本机器人采用面向对象的设计方式，对软硬件进行了多层次的抽象。

系统最上层为HTPC层，运行Windows10系统，运行于其上的人机交互界面程序由C语言编写，负责机器人各软硬件资源的调度。

系统第二层为Arduino层，其上C++编写的程序通过Serial Port协议与HTPC通信，可对各传感器的细节操作进行抽象。

系统第三层为多轴控制器层，该层通过虚拟串口与Arduino层相连，本质上是以STM32为核心的单片机，负责响应上层指令，并发出多路脉冲。

系统第四层为闭环步进电机驱动板，通过普通I/O口响应多轴控制板的指令，下与电机相连，统筹电机各相绕组的通断。

系统第五层为物理层，该层由多个脉冲闭环步进电机构成，驱动车体及机械手臂运动。

本机器人的一大特点是可以实现室内自主导航。选用UWB超宽带定位、激光雷达、惯性导航相结合的方案，可以实现厘米级带有移动障碍物的室内自主导航和避障。UWB超宽带定位负责给出机器人的空间坐标，激光雷达负责对场内地图进行建模，以及对临时移动障碍物及时避障，惯性导航负责对信号以及视野盲区的偏差进行修正弥补。程序运行层图如图3所示，程序运行流程如图4所示。

图3 程序运行层图

该机器人运用了深度学习技术，可通过Python编写的程序与C#编写的人机交互界面沟通，也可与TensorFlow Object Detection API交互，实现对视野内常见物体的识别。识别完成后通过Python编写的基于OpenCV的传统视觉方案对识别出的物体进行精准定位，并上传物体名称和空间坐标至人机交互程序，由人机交互程序下达命令控制移动机器人及机械手臂完成抓取等动作。

3 创新点

该机器人采用4个麦克纳母轮组合的方式进行移动。移动底盘结构原理如图5所示。该底盘移动系统由4个独立电机驱动的麦克纳母轮（图中标注1）组成，4个轮子对称的安装在方形底盘架（图中标注2）四周。移动底盘结构实物如图6所示。

图5 移动底盘结构原理图

图6 移动底盘结构实物图

在4个麦克纳母轮呈正方形排布的情况下，能够实现机器人的灵活运动。通过上位机程序协同控制，实现机器人的万向移动。

4 市场前景

当前智能机器人市场不断扩大，医疗机器人市场潜力巨大。医疗卫生机构在对医疗垃圾的捡拾与回收阶段存在诸多问题，因此需要智能机器人为其提供更多辅助作业。

国家政策的支持也为我们提供了发展空间。早在2003年，我国国务院就已颁布《医疗废物管理条例》，用以规范医疗废物的处置和回收；2004年，国家环境保护总局污染控制司和国家卫生部医政司编写出版了《医疗废物管理国家法规与标准》；2017年，国家卫计委印发《关于进一步加强医疗废物管理工作的通知》。国家对于医疗垃圾管理和处置问题的高度重视是我们研发的不竭动力。