【技术实现步骤摘要】
一种自动换输液瓶的智能服务机器人系统
[0001]本专利技术涉及智能机器人领域，具体涉及一种自动换输液瓶的智能服务机器人系统。
技术介绍
[0002]随着当今医疗水平的不断提高，我国人口的平均寿命也在不断提升，而当今的人口出生率不断地降低，因此，人口老龄化问题愈发严重。随之而来的，照顾老年人的医护成本不断提升，老人以及术后无法活动的患者需要挂点滴的需求不断增加，相比之下我国医护资源紧缺，具有护理专业知识的医护人员缺口巨大，若呼叫护士换输液瓶不及时，那么容易使得血液回流到输液管内造成“回血”现象，导致患者痛苦。
[0003]为了解决上述问题，王广强，郭大磊等人提出了一种用于不间断输液的输液瓶固定装置(王广强,郭大磊,熊朝帅,朱军涛.一种用于不间断输液的输液瓶固定装置[P].河南省：CN213284913U,2021
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28.)，该装置只能固定于给某一个所在输液的患者服务且需要在特定的环境下安装该装置，无法灵活运用与所有场景中；另一方面陈溢胜提出了一种输液时自动换输液瓶装置(陈...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自动换输液瓶的智能服务机器人系统，其特征在于：包括医护机器人的硬件平台以及换输液瓶的软件平台；所述的医护机器人的硬件平台，包括机器人智能移动平台、机械臂换输液瓶装置以及计算机识别定位装置；所述机器人智能移动平台包括AGV移动底盘、供电系统、工控机、嵌入式控制器、路由器以及运动控制装置，所述AGV移动底盘包括驱动轮、麦克纳姆轮、超声波传感器和激光雷达，所述工控机安装于所述移动底盘上方，所述工控机拥有室内导航模块，通过由所述路由器提供的ETH网络连接的激光雷达传递而来的数据对室内环境进行建图与导航，通过连接所述路由器提供的ETH网络运动控制装置接收同一局域网下所述工控机传递而来的指令处理所述超声波传感器所获得的数据，来对室内环境中的障碍物进行检测；所述工控机通过局域网将控制指令传递给运动控制模块，所述运动控制模块通过CAN总线将控制指令发送给底盘主控模块，所述底盘主控模块采用STM32F103单片机，同时所述STM32F103单片机也返回反馈数据给所述运动控制装置NODE卡17，所述STM32F103单片机将PWM信号传递给2路H桥进行电机驱动控制，所述2路电桥同时通过电流采样IC来将电流信号反馈给STM32F103单片机，以及将电机电压信号传递给两个电机进行电机运转，电机通过光电编码器将转速信号反馈给STM32F103单片机，同时电机获得驱动转动信号用于驱动所述驱动轮12转动，且驱动轮带动所述麦克纳姆轮进行机器人整体的运动；所述供电系统包括电源管理器、变压器以及锂电池，所述运动控制装置通过485总线连接供电系统，所述电源管理器用于防止所述电源过载，所述变压器用于对所述锂电池电压进行升降压处理来连接机器人内部各个元器件；所述机械臂换输液瓶装置安装于所述智能移动平台上方，包括机械臂、末端执行器和躯干部分，所述机械臂置于所述医护机器人左侧，所述机械臂末端安装所述末端执行器，所述躯干部分安装在所述医护机器人右侧部分，包括交互屏、载物台以及抬升杆，所述交互屏通过USB总线显示所述工控机的控制界面，所述载物台搭载所述机械臂，所述抬升杆与通过局域网接收所述工控机控制指令的运动控制装置通过CAN总线相连接，控制躯干部分的整体高度；所述计算机识别装置包括双目RGBD相机以及四自由度云台，所述双目RGBD相机置于所述四自由度云台之上，所述工控机通过USB总线与所述双目RGBD相机连接，将所述RGBD相机获取的环境信息进行处理，通过深度信息以及RGB图像利用目标检测算法，用以完成待抓取物体的识别与定位，所述4自由度云台与运动控制装置通过485总线相连接，用以改变所述RGBD相机的角度；所述的换输液瓶的软件平台包括安装在医护机器人的所述工控机上的药液有无检测模块、物体识别检测模块、坐标系转换模块、机械臂运动模块、物体抓取模块、运动模块、机械臂柔顺控制模块，以及安装在嵌入式控制器上的驱动轮控制模块、升降杆控制模块、四自由度云台控制模块；各模块的具体构成是：驱动轮控制模块，控制驱动轮转动；从运动模块输入速度信息，并通过PID控制器调整驱动轮内部电机转速，控制驱动轮的转动。升降杆控制模块，控制升降杆升降运动的模块；从机械臂运动模块输入速度信息，并通
过PID控制器调整升降杆内部电机转速，控制升降杆运动。四自由度云台控制模块，控制四自由度云台运动；从所述机械臂运动模块输入速度信息，并通过PID控制器调整四自由度云台内部的电机转速，控制四自由度云台的转动。药液有无检测模块，监测输液瓶中药液是否存在；接收所述RGBD相机传入的实时周围环境数据，将获取到的输液瓶中的药液高度与输液瓶中无药液时的状态做比对，确定某一时刻的药液有无；物体识别检测模块，识别检测物体；通过目标检测算法以及所述RGBD相机传入的实时数据，识别检测出周围环境中物体的信息，并得到物体位于相机像素坐标系中的坐标，其中将所识别出的输液架位置信息输出给运动模块，将针管、输液瓶、网绳、挂钩像素坐标输出给坐标系转换模块；坐标系转换模块，转换物体坐标；接收物体识别模块的针管、输液瓶、网绳、挂钩像素坐标信息，并将其转换成为位于机械臂基坐标系下的坐标，再输出给机械臂运动模块；机械臂运动模块，控制所述机械臂运动到目标位置；接收坐标系转换模块的机械臂基坐标系下针管、输液瓶、网绳、挂钩的坐标信息，设为所述机械臂末端所需要到达的位置，通过逆运动学求解获得所述机械臂各个关节所需要旋转的角度，并通过机械臂的轨迹规划获取执行最优路径，使得机械臂能够运动至待抓取物体处，同时，将速度信息输出给升降杆控制模块以及四自由度云台控制模块；物体抓取模块，控制所述机械臂末端执行器；接收工控机的控制指令来控制机械臂末端夹爪闭合，完成物体抓取与放置操作；运动模块，控制机器人智能移动平台进行轨迹规划，动态避障；接收超声波传感器以及所述激光雷达获得的周围环境的数据，并与物体检测模块结合，通过接收物体检测模块传入的输液架的位置信息定位出该物体位于整体环境的位置并通过路径规划算法使得所述工控机通过局域网将运动信息传输给所述运动控制装置，再通过CAN总线将控制指令发送给所述嵌入式控制器，同时所述嵌入式控制器也将返回反馈数据给所述运动控制装置，所述嵌入式控制器将PWM信号传递给2路H桥进行电机驱动控制，所述2路电桥同时通过电流采样IC来将电流信号反馈给所述嵌入式控制器，以及将电机电压信号传递给两个电机进行电机运转，电机通过光电编码器将转速信号反馈给所述嵌入式控制器，同时电机获得驱动转动信号用于驱动所述驱动轮转动，实现机器人可移动平台的运动；机械臂柔顺控制模块，是一个用于机械臂运动的控制器，通过机械臂末端实时力反馈修正控制机械臂的各个关节的旋转角度；机械臂柔顺控制模块与环境的模型为：m(a
d
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a)+b(v
d
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v)+k(x
d
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x)＝F
‑
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中m、b、k分别表示质量、空气阻尼以及弹性系数；a
d
,v
d
,x
d
分别为期望的加速度、速度和位置，a,v,x分别为实际的加速度、速度和位置；F,f分别表示该模型中的期望交互力以及实际交互力；在实际换输液瓶任务中，由于插拔针管力矩实时变化，因此加速度变为0，因此将上式可变为：ma
d
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bv+bv
d
＝F
‑
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)将上式离散化，T为离散时间周期，将上式变形为：
其中，v
s+1
,v
s
分别表示s+1和s时刻的末端速度，整理可得基于速度的柔顺控制器，然而，在实际使用中，由于该控制器没有引入位置参数，因此无法对位置偏差进行校正；在考虑位姿信息后可得机械臂与环境的新模型为：其中Δx表示期望位姿的偏差，将Δx离散后可得：其中Δx0表示机械臂刚开始运...
【专利技术属性】
技术研发人员：付明磊，徐涛，张文安，刘锦元，刘安东，杨旭升，史秀纺，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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