Thiết kế và chế tạo robot di động phục vụ vận chuyển mẫu bệnh phẩm thuốc trong bệnh viện

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CƠNG TRÌNH: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DI ĐỘNG PHỤC VỤ VẬN CHUYỂN MẪU BỆNH PHẨM, THUỐC TRONG BỆNH VIỆN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ CHUYÊN NGÀNH: Điện – Điện tử Mã số cơng trình: …………………………… i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH ii TÓM TẮT ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP Mục tiêu .6 Phương pháp PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .7 Kết tính tốn động học robot Kết thiết kế thân robot di động .8 Kết thi công sản phẩm robot 10 Đánh giá giá hiệu hoạt động robot 13 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 14 Kết luận .14 Đề xuất kiến nghị 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO .15 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH ROBOT PEPPER HÌNH ROBOT TOPIO DIO HÌNH VỊ TRÍ ROBOT TRONG HỆ TOẠ ĐỘ CỐ ĐỊNH {I}; {R} HỆ TOẠ ĐỘ GẮN TRÊN ROBOT .8 HÌNH KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA ROBOT HÌNH SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 10 HÌNH ĐỘNG CƠ BƯỚC 11 HÌNH CẤU TRÚC BÊN TRONG ROBOT DI ĐỘNG .11 HÌNH CẢM BIẾN DÒ VẠCH KẺ SẴN 12 HÌNH ARDUINO MEGA 2560 12 HÌNH 10 SẢN PHẨM ROBOT HỒN THIỆN 12 HÌNH 11 MINH HOẠ ĐƯỜNG ĐI CỦA ROBOT TRONG BÊNH VIỆN 13 TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu chế tạo robot di động phục vụ bệnh viện Robot di chuyển cách bám theo vạch kẻ sẵn hành lang bệnh viện Robot gồm bánh xe, bánh xe bố trí bên trái-phải phía sau robot chúng dẫn động động bước DC thông qua hộp giảm tốc; bánh tự lựa bố trí phía trước giữ robot cân định hướng di chuyển Robot ứng dụng công việc phân phát thuốc mang bệnh phẩm từ nơi lấy mẫu đến phòng xét nghiệm theo yêu cầu điều khiển từ bác sĩ, y tá chuyên gia y tế khác Robot thiết kế, chế tạo chạy thử nghiệm bám theo vạch kẻ sẵn 2 ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Môi trường sống ngày nhiễm nguồn nước, khơng khí, thực phẩm áp lực công việc hàng ngày khiến tỷ lệ người mắc bệnh gia tăng Sự gia tăng bệnh nhân làm tăng áp lực lên ngành y tế, cụ thể tải bệnh viện Nhằm giảm công việc cho bác sĩ, y tá nhân viên y tế khác bệnh viện việc đưa thuốc, vận chuyển bệnh phẩm, bệnh viện cần sử dụng robot di động làm thay công việc Việc nghiên cứu chế tạo robot di động phục vụ đưa thuốc, vận chuyển bệnh phẩm bệnh viện nhằm giải vấn đề nêu cần thiết Chưa có robot phục vụ nhu cầu vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện ứng dụng Việt Nam Chúng ta sử dụng giải pháp chuyển đổi robot phục vụ lĩnh vực khác nhập từ nước để ứng dụng việc vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện phải lập trình lại, lý cần nghiên cứu để làm chủ công nghệ, phục vụ chỗ Giá thành sản phẩm thấp làm chủ công nghệ sản xuất Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Tính tốn, thiết kế, chế tạo robot di động ứng dụng vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Robot di động ứng dụng vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện Phạm vi nghiên cứu Robot di động bám theo vạch kẻ sẵn, tránh vật cản ứng dụng vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện Việt Nam Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng Ý nghĩa khoa học: thiết kế, chế tạo robot di động phục vụ lĩnh vực y tế Ý nghĩa thực tiễn: giải vấn đề thiếu nguồn nhân lực phục vụ lĩnh vực y tế 3 Quy mơ phục vụ thí điểm bệnh viện Sau đánh giá hiệu kinh tế, kỹ thuật quản lý sau triển khai toàn hệ thống bệnh viện nước 4 PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Trong lĩnh vực học thuật, robot di động nghiên cứu nhiều tài liệu [1-5, 7] Robot di động ứng dụng lĩnh vực vận chuyển phôi, linh kiện nhà máy, vận chuyển thân xe xưởng lắp ráp ô tô, robot ứng dụng việc giao hàng Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, kết cấu khí robot, cảm biến trang bị, chương trình thiết kế tương ứng phù hợp Có nhiều đề tài nghiên cứu cụm phận robot nhằm giúp cho đáp ứng chức cách tốt Các thiết kế cấu trúc thân robot nghiên cứu trình bày tài liệu [8] Vấn đề nghiên cứu quỹ đạo chuyển động trơn cho robot di động trình bày tài liệu [2, 4] Bài tốn cảm biến nghiên cứu tài liệu [3] Vấn đề điều khiển định vị robot trình bày tài liệu [7, 9-11] Vấn đề điều khiển động truyền động bánh xe robot đề cập tài liệu [13, 14] Tại Nhật bản, Aldebaran Robotics SoftBank Mobile thiết kế chế tạo thành công robot thương mại Pepper (Hình 1) với khả đọc cảm xúc Nó giới thiệu hội nghị ngày 05 tháng năm 2014 trưng bày cho công chúng hệ thống cửa hàng điện thoại di động Softbank Nhật Bản từ năm 2014 Pepper robot dịch vụ trị chuyện với người, nhận phản ứng với cảm xúc họ, di chuyển sống độc lập Tại Việt Nam, Công ty Cổ phẩn robot Tosy Việt Nam nghiên cứu chế tạo thành công Robot robot dịch vụ Topio Dio (Hình 2) cao 1,25m, nặng 45kg, giá 25% robot có tính tương đương thị trường giới Topio Dio có bánh xe di chuyển, 28 bậc tự tương đương với khớp, vận hành từ nơi dịch chuyển tới đâu nhờ thiết bị điều khiển không dây hoạt động qua mạng Internet, camera tích hợp máy dị chướng ngại vật Với hình dáng người, Topio Dio có khả việc giao tiếp, chào đón khách hàng thông qua hành động thân thiện tặng em bé đĩa bay đồ chơi Topio Dio sử dụng người phục vụ bàn kiêm bartender thân thiện cho ngành nhà hàng, khách sạn 5 Hình Robot Pepper Hình Robot Topio Dio PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP Mục tiêu - Thiết kế kết cấu robot đáp ứng yêu cầu vận chuyển bệnh viện robot Từ xây dựng vẽ thiết kế robot - Chế tạo kết cấu khí robot dựa vẽ thiết kế Thiết kế thi công điều khiển hoạt động robot Lắp ráp hoàn thiện robot - Chạy thử kiểm tra độ an toàn robot người thiết bị xung quanh môi trường bệnh viện Phương pháp - Phương pháp tính tốn lý thuyết áp dụng việc tính kết cấu robot - Phương pháp thiết kế sử dụng phần mềm Autocad - Phương pháp chế tạo chi tiết máy lắp ráp máy - Nghiên cứu lập trình hệ thống điện điều khiển robot chuyển động - Phương pháp kiểm tra đánh giá độ tin cậy hệ thống robot 7 PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN Kết tính tốn động học robot Robot mơ hình vận rắn di chuyển bánh xe mặt phẳng nằm ngang (như mô tả hình 3) Robot có bậc tự do, hai bậc tự mơ tả vị trí robot theo trục X, Y, bậc tự mô tả hướng quay robot quanh trục Z Vị trí robot xác định dựa mối quan hệ hệ toạ độ {R} gắn robot toạ độ cố định {I} (Hình 3) Chọn điểm P thân robot P vị trí robot toạ độ cố định {I} Vị trí P xác định vector có toạ độ {x, y}, θ góc quay quanh trục Z hệ toạ độ {I} {R} Vector r mô tả vị trí hướng robot hệ toạ độ cố định {I}: 𝑥 𝑦 𝒓𝐼 = [ ] θ Ma trận chuyển đổi qua lại hệ toạ độ {R} {I} sau: Vị trí của điểm P hệ toạ độ {R}: 𝒓𝑅 = 𝑅(θ)𝒓𝐼 Bài tốn động học thuận: Cho trước kích thước động học, tốc độ hai bánh xe: Bán kính bánh xe Ra, điểm P nằm đường nối bánh xe, tâm P cách tâm bánh xe d Vậy thông số đầu vào gồm có: Ra, d, góc xác định hướng θ ;và tốc độ bánh xe: φ̇ , φ̇ Tốc độ robot hệ toạ độ cố định tính theo cơng thức sau: Tính tốn chuyển động robot, trước hết tính chuyển động hệ toạ độ gắn với robot {R}, sau áp dụng cơng thức sau để chuyển sang hệ toạ độ cố định {I}: Hình Vị trí robot hệ toạ độ cố định {I}; {R} hệ toạ độ gắn robot Kết thiết kế thân robot di động Robot di chuyển mẫu bệnh phẩm từ phòng lấy mẫu đến phòng xét nghiệm, lần di chuyển 120 lọ mẫu, lọ mẫu đường kính 30 mm, cao 50 mm Không gian để chứa cần khoảng 0.54 dm3 Hộc chứa bệnh phẩm có kích thước 184×179×63 mm3 Nguồn pin cung cấp cho tồn hệ thống điện điều khiển robot có kích thước 100×30×14 mm3; động bước DC truyền động có dạng hình hộp cạnh vng kích thước 42 mm, dài 100 mm, có lắp đồng hộp giảm tốc 1:20 Hai bánh xe có đường kính 86 mm Tủ điều khiển (lắp đặt driver điều khiển động DC, mạch điều khiển trung tâm board Arduino) có kích thước 101×53 mm2 Từ kích thước module, phận, vùng khơng gian chứa bệnh phẩm ta tính tốn kích thước (rộng×dài×cao) robot tương ứng 296×219×202 mm3 9 Thân robot làm từ mica dày mm Hình thể thiết kế kích thước bên ngồi thân robot Hình mơ tả robot sau chế tạo có ngăn chứa hộp dựng bệnh phẩm Các phận gồm có trên, giữa, đế giữ dùng để đỡ nguồn pin, board mạch điều khiển trung tâm, mạch driver công suất điều khiển động bước DC Hình Kích thước thiết kế robot Robot di chuyển bám theo đường kẽ sẵn màu đen hành lang bệnh viện Bề rộng đường kẻ 20 mm Robot di chuyển bánh, gồm bánh phía sau đối xứng qua đường tâm, bánh phía trước tự lựa Robot rẽ trái động bên phải quay nhanh động bên trái ngược lại Robot thẳng bánh xe phía sau có tốc độ quay Hình mơ tả sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot Hai bánh xe robot dẫn động động DC servo [14-16] Hai động cấp nguồn tín hiệu điều khiển từ mạch cơng suất, mạch cơng suất nhận tín hiệu từ điều khiển trung tâm board mạch điều khiển Board mạch điều khiển board Arduino MEGA 2560, chip Vi điều khiển ATmega [17] (Hình 9), tốc độ 16 Mhz, 10 nhớ Flash 256 KB, SRAM KB, EEPROM KB Robot di chuyển theo đường kẻ sẵn nhờ tín hiệu cung cấp từ module cảm biến (Hình 8) Module gồm có cặp LED phát thu để nhận biết vị trí robot lệch trái hay lệch phải so với đường kẻ Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot Nguyên lý điều khiển robot bám theo quỹ đạo kẻ sẵn [11-13]: khối cảm biến nhận biết robot theo hay lệch khỏi quỹ đạo gửi tín hiệu vi điều khiển trung tâm Arduino ATMega Chip vi điều khiển ATMega tính tốn điều khiển tốc độ hai bánh xe robot để điều khiển hướng di chuyển robot Cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải robot nhanh bên trái, ngược lại để rẽ phải tốc độ bánh xe bên trái nhanh tốc độ bên phải, để thẳng tốc độ hai bánh xe Khi robot thẳng tốc độ di chuyển robot lớn nhất, robot lệch khỏi quỹ đạo tốc độ di chuyển robot chậm dần Kết thi cơng sản phẩm robot Hình 10 mơ tả hình dáng kích thước bên ngồi robot di động sau lắp ráp hoàn thiện thực tế Robot thực tế có kích thước theo chiều dài rộng cao tương ứng 296×219×202 mm3 Khoảng hở gầm 17 mm Bánh xe có đường kính 86 mm, bánh xe tự lựa hình cầu có đường kính 14 mm 11 Cấu trúc bên robot thể hình 10 Khơng gian bên thiết kế chia làm tầng riêng biệt gồm tầng đặt hộc chứa khay bệnh phẩm tầng đặt tủ điều khiển, cụm truyền động, bánh xe Người sử dụng đưa hộc chứa bệnh phẩm vào tầng từ phía hơng trái phải robot Bố trí hệ thống điều khiển robot (hình 7) gồm có nguồn điện, mạch công suất cung cấp nguồn cho động bánh trái bánh phải robot Hai mạch cơng suất nhận tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển trung tâm mạch vi điều khiển ATMega (Hình 7) Tín hiệu cảm biến vạch kẻ nhận từ cảm biến dị vạch kẻ hình Hai bánh xe truyền động từ động bước DC (hình 6) Hình Động bước Hình Cấu trúc bên robot di động 12 Hình Cảm biến dị vạch kẻ sẵn Hình Arduino Mega 2560 Hình 10 Sản phẩm robot hoàn thiện 13 Đánh giá giá hiệu hoạt động robot Robot điều khiển tự động chạy theo vạch kẻ sẵn minh hoạ hình 11 Y tá tập hợp bệnh phẩm cho vào hộc chứa, đặt vào tầng từ hai bên thân phải trái robot (các hình 4, 10) nhập địa robot cần tới, robot di chuyển tới vị trí đích, kỹ thuật viên nhận mã thiết lập riêng từ y tá thông qua hệ thống liên lạc bệnh viện, nhập mã thiết lập riêng để mở khoá hộc chứa bệnh phẩm, xác nhận nhận, robot di chuyển đến vị trí Hình 11 Minh hoạ đường robot bênh viện Đánh giá chất lượng điều khiển: đường di chuyển thực robot tiệm cận vạch kẻ sẵn tốt Đường di chuyển đường di chuyển điểm nằm trọng tâm mặt đáy robot Tiêu chí đánh giá sai lệch quĩ đạo thực tế vạch kẻ tính tổng tích phân sai lệch quỹ đạo Kết chạy thử cho thấy robot chạy đoạn thẳng bám sát quỹ đạo thẳng không lắc (xét mặt phẳng chuyển động), nhiên qua đoạn cong robot chuyển động lắc Nhìn chung robot đáp ứng yêu cầu vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện Chuyển động lắc nhẹ không làm ảnh hưởng chất lượng bệnh phẩm không gây đổ vỡ lọ đựng bệnh phẩm 14 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ Kết luận Nghiên cứu trình bày mẫu thiết kế robot di động phục vụ lĩnh vực y tế, cụ thể di chuyển mẫu bệnh phẩm từ phòng lấy mẫu sang phòng xét nghiệm Robot di chuyển bám theo vạch kẻ sẵn hành lang bệnh viện Robot sau thiết kế chế tạo có khả đáp ứng yêu cầu vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện Chuyển động robot đảm bảo chất lượng bệnh phẩm không gây đổ vỡ lọ đựng bệnh phẩm Robot có triển vọng ứng dụng rộng rãi đáp ứng phần nhu cầu nhân lực bệnh viện nói chung lĩnh vực y tế nói riêng Đề xuất kiến nghị Kết nối internet để điều khiển kiểm sốt vị trí robot Xây dựng giải thuật điều khiển đáp ứng nhanh Có thể cải tiến xe kết hợp dò đường sử dụng camera xác định vị trí robot 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Illah Reza Nourbakhsh, Roland Siegwart 2004 ‘Introduction to Autonomous Mobile Robots,’ MIT press pp 49-50 London, England Jacobs, R and Canny, J 1989 ‘Planning Smooth Paths for Mobile Robots,’ in Proc of the IEEE Conf on Robotics and Automation Press: pp 2-7 Everett, H.R 1995 ‘Sensors for Mobile Robots’ Theory and Applications New York, Natick, MA, A.K Peters, Ltd Latombe, J.-C., 1991 ‘Robot Motion Planning’ Norwood, MA: Kluwer Academic Publishers Schraft, R.-D., Schmierer, G 2000 ‘Service Roboter’ Natick, MA, A.K: Peters, Ltd Burgard, W., Cremers, A., Fox, D., Hahnel, D., Lakemeyer, G., Schulz, D., Steiner, W., Thrun, S 2000 ‘Experiences with an Interactive Museum TourGuide Robot,’ Artificial Intelligence, pp: 1-53 Burgard, W., Fox, D., Henning, D 1997 ‘Fast Grid-Based Position Tracking for Mobile Robots,’ in Proceedings of the 21th German Conference on Artificial Intelligence (KI97), Freiburg, Germany, Springer-Verlag Campion, G., Bastin, G., D’Andréa-Novel, B 1996 “Structural Properties and Classification of Kinematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots.” IEEE Transactions on Robotics and Automation, 12, No 1, pp: 47-62 Lazanas, A., Latombe, J.-C 1992 ‘Landmark-Based Robot Navigation,’ in Proceedings of the Tenth National Conference on AI San Jose, CA 10 Lazanas, A Latombe, J.C 1995 ‘Motion Planning with Uncertainty: A Landmark Approach,’ Artificial Intelligence, pp: 285-317 11 Philippsen, R., Siegwart, R 2003 ‘Smooth and Efficient Obstacle Avoidance for a Tour Guide Robot,’ in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Taipei, Taiwan 12 M Kostadinović, M Stojčev, Z Bundalo and D Bundalo, 2010 ‘Simulation model of DC servo motor control,’ Proceedings of 14th Int Power Electronics 16 and Motion Control Conf EPE-PEM, Ohrid, pp: T7-10 -T7-14 13 Wang Z., Chen Z., Zhang J 2012 ‘Servo Motor Position Control Based on DSP,’ In: Zhang T (eds) Mechanical Engineering and Technology Advances in Intelligent and Soft Computing, vol 125 Springer, Berlin, Heidelberg 14 M Md Kamal and N Mamat, 2009 ‘Controller design for servo motor,’ IEEE Symposium on Industrial Electronics & Applications, Kuala Lumpur, pp 926929 15 Mạch vi điều khiển Arduino Mega: https://www.arduino.cc/ ... phẩm, bệnh viện cần sử dụng robot di động làm thay công việc Việc nghiên cứu chế tạo robot di động phục vụ đưa thuốc, vận chuyển bệnh phẩm bệnh viện nhằm giải vấn đề nêu cần thiết Chưa có robot phục. .. tiêu - Thiết kế kết cấu robot đáp ứng yêu cầu vận chuyển bệnh viện robot Từ xây dựng vẽ thiết kế robot - Chế tạo kết cấu khí robot dựa vẽ thiết kế Thiết kế thi công điều khiển hoạt động robot. .. nghiệm Robot di chuyển bám theo vạch kẻ sẵn hành lang bệnh viện Robot sau thiết kế chế tạo có khả đáp ứng yêu cầu vận chuyển mẫu bệnh phẩm bệnh viện Chuyển động robot đảm bảo chất lượng bệnh phẩm