2024年8月14日发(作者：)
２０１３年２月
机床与液压
Ｆｅｂ．２０ｌ３
第４１卷第４期
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＵＣＳ ＶｏＪ．４１ Ｎｏ．４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．０４．００９
护士助手机器人的设计
黄大志，游栖霞，杭智刚，黄丹
（淮海工学院机械工程学院，江苏连云港２２２００５）
摘要：护士助手机器人能够帮助护士完成日常工作，减小护理人员感染传染病的几率和劳动强度。护士助手机器人是
在护士医疗手推车基础上进行改造设计的，主要由车体、电机、摄像头、机械手等部件组成，其控制系统由上下位机组
成，并通过无线通信，反馈２自由度云台的摄像头监控到的环境情况，帮助监控人员控制机器人的运动，借助５自由度的
机械手来为病人送药品或药具。该机器人具有结构简单、成本低廉、可靠性高等特点。通过试验验证，护士助手机器人能
实现预期功能，可替代部分护士的工作。
关键词：机器人；护士；单片机
中图分类号：ＴＰ２４２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１３）４—０３１—４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｕｒｓｅ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ Ｒｏｂｏｔ
ＨＵＡＮＧ Ｄａｚｈｉ，ＹＯＵ Ｑｉｘｉａ，ＨＡＮＧ Ｚｈｉｇａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｄａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２２００５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｕｒｓｅ ａｓｓｉｓｔａｎｔ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｈｅｌｐ ｎｕｒｓｅｓ ｄｏ ｄａｉｌｙ ｗｏｒｋ，ａｎｄ ｃａｎ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｃｅ ｏｆ ｎｕｒｓｅｓ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｄｉｓｅａｓｅｓ
ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｌａｂｏｒ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｆｒｏｍ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｒｓｉｎｇ ｍｅｄｉｃａｌ ｈａｎｄｃａｒｔ．Ｉｔ ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ６ｏｍ—
ｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｂｏｄｙｗｏｒｋ，ａ ｍｏｔｏｒ，ａ ｃａｍｅｒａ，ａ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｌｏｗｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄ ｖｉａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃｏｍｉｎｇ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃａｍｅｒａ ｗｉｔｈ ２ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｒｆｅｅｄｏｍ（ＤＯＦ），ａｎ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｈｅｌｐｅｄ ｔｏ ｃｏｍｍａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ５ ＤＯＦ ｗａｓ
ｒｅｌｉｅｄ ｏｎ ｔｏ ｓｅｎｄ ｔｈｅ ｄｒｕｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｐａｔｉｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ａｎｄ ｈｉ【ｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ ｅｔｃ．Ｉｔ’Ｓ ｐｒｏｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｐｌａｃｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｒｓｅ’Ｓ ｗｏｒｋ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｂｏｔ：Ｎｕｒｓｅ：ＳＣＭ
护士助手机器人是服务机器人 的一种，能够
车体
应用于日常医疗护理、代替医生实施手术、军事救援
结构
等领域。近年来，“非典”、禽流感、甲型Ｈ１Ｎ１流感
等流行病时常爆发，而远离病毒源和传染病患者是预
护
士
防传染病的最好方法。护士助手机器人不仅能对病房
助
手
消毒，运送医疗器械、实验样品及结果，为病区的人
机
器
控制系统
运送药、送饭和生活用品，清除病房垃圾，还能减少
人
硬件
一一一一一一一一一一
护理人员感染传染病的几率和工作强度，从而可以提
高医疗机构的自动化程度。所以研制护士助手机器人
具有非常重要的意义。
软件
１ 机器人总体方案设计
下位机控制程序
工作人员只需一台ＰＣ机，就可远程遥控护士助
图１护士助手机器人方案图
手机器人。工作人员根据机器人摄像头不断反馈回来
２结构设计
的图像，利用Ｐｃ机上的软件通过无线传输模块向护
护士助手机器人的三维模型图如图２所示。机器
士助手机器人发送各种命令，这样就可遥控机器人完
人主要由车体、电机、万向轮、机械手、摄像头等部
成巡游病房，通过摄像头监视病人情况，通过机械手
分组成。车体由现有医院及卫生场所常用的护士医疗
抓取药物送给病人并清理医疗垃圾等任务。机器人的
手推车改造而来，将两个原有的万向轮换成电机驱动
设计方案如图１所示。
的主动轮，这样机器人就可以自由运动，具体转向靠
收稿日期：２０１２—０２—０８
基金项目：淮海工学院校内课题资助项目（Ｚ２０１１０２５）
作者简介：黄大志（１９７７一），男，硕士，讲师，从事机电一体化的教学与科研工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｄｚ＠ｈｈｉｔ．ｅｄｕ．ｅｎ。
一一
・
３２・ 机床与液压 第４１卷
两个电机的转速差来实现。在机器人平台上面放置一
个５自由度的机械手，机械手可以到达平台的任何地
方，可以拿起送给病人的食物、药品或药具等。摄像
头放置在小车后面，不仅可以观察机器人运动的环
境，还可以反馈机械手运动的过程，方便控制人员精
准控制机器人的运动。另外摄像头下有两自由度的云
台，可以调整摄像头上下左右的位置，以达到最佳的
监控角度。
摄像头
机械手
车体
电机
万向轮
图２机械人三维建模图
３控制系统硬件设计
如图３所示，机器人控制系统主要由上位机和
下位机构成。上位机为普通的ＰＣ机，只要有ＵＳＢ
接口，就可以通过监控软件控制机器人代替护士去
做一些简单的医疗服务。下位机主要由２个单片机
及控制模块组成。１号单片机主要负责控制无线接
收模块并和２号单片机通讯。２号单片机控制电机
模块来实现对车体运动的控制，控制机械手以及云
台的舵机。
图３控制系统硬件结构图
３．１ 上位机
上位机主要由Ｐｃ机、无线发送模块和摄像头无
线接收模块组成。ＰＣ机要求配置如下：操作系统：
Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８／２０００／ＸＰ／ｖｉｓｔａ／，Ｗ７；ＣＰＵ：ｌｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ
ＩＶ ２＿８ ＧＨｚ以上；内存：大于等于５１２ ＭＢ；硬盘：２
ＧＢ剩余空间；接口：ＵＳＢ接口２个以上；光驱：１６
倍ＣＤ—ＲＯＭ以上。
３．２下位机
下位机主要由２个单片机以及电机驱动模块组
成。单片机选用ＳＴＣ８９Ｃ５１，该单片机比传统５１类单
片机执行速度快ｌ０倍以上，内部有８ＫＢ的ＥＰＲＯＭ，
３个定时器，４路外部中断，３２个Ｉ／Ｏ接口，完全满
足控制机器人的需要 －４ ３。１号单片机负责与上位
机、２号单片机通讯。２号单片机主要用来控制电机
驱动模块和舵机。
电机驱动模块电路如图４所示。用２个Ｌ２９８Ｎ
芯片来分别控制机器人２个运动电机。ＥＮＡ，ＩＮ１，
ＩＮ２的高低电平就可以控制电机停止，正转，反转和
急停。２号单片机发给ＥＮＡ的不同占空比的脉冲信
号就可实现电机的ＰＷＭ调速。
图４电机驱动模块电路
机器人的手臂和摄像头云台的运动都是由舵机的
转动带动的，舵机转动的角度与单片机发送给舵机的
脉冲高电平时间的关系如表１所示。通过运动学分析
后，通过软件可操控机器手和云台自由运动，也可设
定自动运动流程。
表１ 高电平时长与转角关系
高电平时长／ｍｓ 舵机输出臂角度位置／（。）
０．５
０
１．０
４５
１．５ ９０
２．０ １３５
２．５
１８０
３．３无线通讯系统
上位机与下位机的通讯都是无线的。监控摄像头
是线摄像头，发送信号到无线接收模块，通过模块处
理后，即可传人Ｐｃ机，通过软件看到监控画面。同
样Ｐｃ机发出的控制指令也是通过无线的方式传送给
单片机的。采用的是ＡＰＣ２２０－４３模块，它是高度集成
半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机
和高性能射频芯片，１ＴｒＬ串口接口，配合１个ＵＳＢ转
换器可以实现电脑与单片机之间通讯。通过串口通讯
将上位机指令发送到无线发送模块，再通过无线电方
式传送给无线接收模块，无线接收模块与１号单片机
・
３４・ 机床与液压
３５２．
第４１卷
致。在该护士助手机器人程序中设置波特率为
９ ６００ ｂｉｔｓ／ｓ。
４．３电机控制程序
在电动机负载一定时（即转矩一定时），降低电
压，对应的转速不同，这样就可实现电机调速。而要
实现电机反转，只要给电机加反向电压即可。电机的
控制是通过ＰＷＭ来实现的。ＰＷＭ （Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）控制即脉冲宽度调制技术，通过对一系
列脉冲的宽度进行调制而等效地得到所需要的波形
【３】李朝青．单片机原理及接口技术［Ｍ］．３版．北京：北京
航空航天大学出版社．２０１０：１７—２４．
【４】张江梅，王妲．基于单片机和光电检测技术的机器人行
为控制系统［Ｊ］．机床与液压，２００８，３６（１２）：１２７—１２８，
１７２．
【５】黄大志，周庆贵，刘明芹，等．三轮移动机器人直线行进
数字ＰＩＤ控制的研究［Ｊ］．微计算机信息，２００９（３５）：
１９９—２００，２１３．
【６】庹朝永．基于单片机的直流电机ＰＷＭ调速系统设计与
（含幅值和形状）。脉冲信号事由单片机通过定时器
来实现的。
４．４舵机控制程序
舵机控制的重点在于实现产生周期为２０ ｍｓ的脉
冲电平信号，其中当高电平在０．５至２．５ ｍｓ之间变
动时实现舵机由左极限（０）到右极限（１８０。）的转
动。经过多次试验，发现机器人用的舵机控制信号的
高低电平的脉宽长度参数（ｈ，ｚ）与舵机的角度
（０）存在如下线性关系：ｈ＝０／６＋１５；ｚ＝５３０一ｈ。
利用这个关系可以实现对舵机的控制。
５结论
制作的护士助手机器人样机如图７所示。它能够
在２００ Ｉｌｌ范围内正常通讯和运行，能够抓起矿泉水放
到病床旁，当然也能拿起体温计等小的医疗用品给病
人。该机器人运动速度与普通人相当，运动灵活可
靠，非常适合不宜护理人员经常出入的病区或隔离
区。
图７护士助手机器人样机
参考文献：
【１】常江，孟庆鑫．非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪滑模
控制［Ｊ］．控制工程，２０１０（６）：８４９—８５２．
【２】黄大志，周庆贵，陈业强．基于单片机轮式寻迹机器人
控制系统的设计［Ｊ］．机床与液压，２００９，３７（８）：３５０—
开发［Ｊ］．煤炭技术，２０１１（６）：６２—６３．
（上接第３０页）
５．２刀盘运行控制
刀盘原点初始化完成之后，刀盘转动要满足下面
条件：
（１）有模式选择（Ｍ２￣ｒ７、Ｍ２１Ｘ￣、Ｍ２１Ｘ）９、Ｍ２０１０、
Ｍ２０１５之一为ＯＮ）；
（２）伺服打开（Ｍ２０００为ＯＮ），之后电机抱闸
打开；
（３）互锁信号打开（Ｍ２００４、Ｍ２００５为ＯＮ）；
（４）有运行参数组选择（由Ｍ２０２６、Ｍ２０２７组
合决定）；
（５）有运行启动信号（Ｍ２０２０为ＯＮ）。
编程方法与ＮＣ轴类似，这里不作赘述。
６结束语
实践证明：圆盘式刀库采用伺服电机替代异步电
机控制刀盘运动，无需机械式开关或金属接近开关作
刀套计数之用，运转定位速度准、快，极大地提高了
刀具交换的可靠性和效率。
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向高端制造业转型
；沈阳迈向装备制造“世界工厂＂
向高端制造业转型，是沈阳企业的共同追求。沈
阳机床集团此前成功开发了世界首台智能化数控机＞
床，实现单机智能化、单元自动化和工厂管理数字
≥化。沈阳鼓风机集团公司成功研制天然气长输管线压≤
缩机、ＰＴＡ（精对苯二甲酸）、ＬＮＧ（液化天然气）
ｔ装置用压缩机，其中，自主研制的长输管线压缩机标
志着集团在该领域进入了世界先进之列。北方重工自
≥主研制的高性能镁合金板材轧制成套装备可以生产
１．７ １１３．宽的镁板。特变电工沈变公司等其他企业也在
≤高压输变电设备、关键零部件及基础件、支线飞机、
集成电路和电容屏等领域研制并推出了装备制造业高
≥端产品，实现了重大技术突破，拥有自主创新能力。
对于装备制造业发达的沈阳来说，只有不断向高≤
端制造迈进，才能成为名符其实的“世界工厂”。
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