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綜合性醫療廢品監管系統「網物阻疫」一種綜合性醫療廢品監管系統，創新目標與內容（圍繞物聯網技術與應用進行創新研究與設計的目的和意義、內容和技術、應用和前景）。

1. 設計目的和意義

隨着2019冠狀病毒病在全世界範圍內的爆發，醫療系統承受了前所未有的壓力，在診療過程中產生的有害醫廢垃圾的數量也大幅增加。為了避免這些醫廢垃圾因為不當處理而造成的病毒感染、放射性物質泄漏等嚴重問題，我們提出了一種綜合性醫療廢品監管系統。本系統包含兩個主要分系統：可視化醫廢追蹤系統和輪式機器人系統，在本報告中以軟件部分及硬件部分表示。可視化醫廢追蹤系統實現對於醫療廢物的全程追溯功能，幫助工作人員方便準確地分類、監控醫療廢物，而輪式機器人系統能夠實現對於分好類地醫療垃圾地運送功能，使得醫廢處理過程更加安全及高效。

為了實現醫廢垃圾處理過程的全程無接觸化，我們將對於醫廢垃圾全程監控的軟件系統嵌入到智能運輸機器人中，實現醫廢垃圾處理過程由全程可監管到全程可控制的轉變，最終建立一個有傳送者，有監控端，並且對周圍環境具有自適應性的綜合性智能醫療廢物處理系統。

2. 內容和技術

a. 軟件

數據庫採用MYSQL數據庫，該數據庫是一款開源免費的關係型數據庫，其體積較小，性能良好，足夠應對本項目的數據存儲工作。

web服務器和web後台管理程序基於RuoYi框架進行開發，該框架集成了當下流行的SpringBoot、Shiro、Thymeleaf、Vue、Bootstrap等技術棧，提供了前端Vue、後端SpringBoot完全分離的權限管理系統，基於Bootstrap又實現了完全響應式布局，支持電腦、平板、手機等所有主流設備。SpringBoot簡化了新Spring應用的初始搭建以及開發過程，該框架使用了特定的方式來進行配置，從而使開發人員不再需要定義樣板化的配置，而Spring框架是Java平台上的一種開源應用框架，具有控制反轉（IOC）特性，IOC旨在方便項目維護和測試，它提供了一種通過Java的反射機制對Java對象進行統一的配置和管理的方法。Spring框架利用容器管理對象的生命周期，容器可以通過掃描XML文件或類上特定Java註解來配置對象，開發者可以通過依賴查找或依賴注入來獲得對象。Spring框架具有面向切面編程（AOP）框架，SpringAOP框架基於代理模式，同時運行時可配置；AOP框架主要針對模塊之間的交叉關注點進行模塊化。Shiro是Apache旗下一個強大且易用的Java安全框架，執行身份驗證、授權、密碼和會話管理。

開發傳統JavaWEB工程時，我們可以使用JSP頁面模板語言，但是在SpringBoot中已經不推薦使用了，而Thymeleaf就是SpringBoot支持的一種頁面模板語言，它能夠處理HTML，XML,JavaScript，CSS甚至是純文本，其作用就是把各個用戶的公用的東西（頁面）做一個提取，然後再根據不同的數據對頁面進行渲染。Vue是一個採用MVVM架構，通過數據驅動視圖的形式來構建用戶界面的漸進式框架。Bootstrap是基於HTML、CSS、JavaScript開發的簡潔、直觀、強悍的前端開發框架，它使得Web開發更加快捷。

Vue和Bootstrap同樣作為優秀的前端框架，整合在一起能夠幫助我們快速構建出美觀優雅的web後台管理的界面。而數據庫與web服務器之間的數據交互採用MyBatis框架，在說明MyBatis之前，首先明確ORM和JPA兩個概念。ORM即對象關係映射，它是一種思想，是指將數據庫中的每一行數據用對象的形式表現出來，例如在Java中，它可以將數據庫中每一行數據表現為Java的一個對象，這樣的好處是便於不熟悉SQL語句但熟悉Java的編碼人員可以方便地操作數據庫；JPA是Java持久化接口的意思，它是JavaEE關於ORM思想的一套標準接口，僅僅是一套接口，不是具體的實現。而MyBatis則是一個實現了JPA規範的用來連接數據庫並對其進行增刪改查操作的開源框架，它能夠很好地與SpringBoot進行兼容，便於服務器與數據庫進行數據交互。

終端app採用Android進行開發，主要涉及的一個問題是app與服務器通信的問題，本項目採用的方案是使用Android端用於處理網絡請求的開源框架OKhttp，該框架基於HTTP協議，HTTP協議即超文本傳輸協議，它是因特網上應用最為廣泛的一種網絡傳輸協議，所有的WWW文件都必須遵守這個標準，HTTP基於TCP/IP通信協議來傳遞數據。

從以上描述可以得出app與服務器之間進行的數據處理流程為：app基於HTTP協議向服務端發送Post請求，服務端根據接收到的不同的請求執行不同的業務，該業務就是通過MyBatis對數據庫進行增刪改查等工作，執行完畢，服務端再將執行的結果以Json的形式返迴響應給app，從而app可以確定操作是否執行成功。web後台管理程序與web服務器之間採用B/S架構，它們之間的交互流程為：前台（web後台管理程序）通過表單或JavaScript使用Formdata對象向後台提交數據，後台根據接收到數據執行相關的業務，進而將業務執行結果以及請求的資源返回給前台，展示在用戶瀏覽器中。

由於軟件功能模塊較多，加之篇幅限制，以下僅列出部分具有代表性的模塊測試結果（WEB端類似）。文章未列出的系統已開發完成的其它功能模塊經測試結果均符合預期要求，性能完備良好。

（1）用戶登錄界面：首先打開app。登錄界面右上角齒輪按鈕為服務器ip地址及端口號設置，此功能可以設置局域網ip，用戶輸入賬號密碼進行登錄，測試輸入錯誤的賬號密碼，會有密碼錯誤的提示。

（2）登錄成功界面：用戶登錄成功跳轉到app的主界面。

（3）功能模塊測試

工作人員在移動端對於醫廢的操作各項數據均可以展示在WEB端。經測試，各箱子數據正常，二維碼打印功能正常。

SpringBoot簡化了新Spring應用的初始搭建以及開發過程，該框架使用了特定的方式來進行配置，從而使開發人員不再需要定義樣板化的配置。Springboot負責業務邏輯的實現，主要分為controller控制層，domain數據模型層，service業務邏輯層以及mapper數據存儲對象層。domain層存放實體類，與數據庫中的屬性值基本保持一致，mapper層直接與數據庫打交道（執行SQL語句），接口提供給service層，service層主要是針對具體的問題的操作，把一些數據層的操作進行組合，間接與數據庫打交道，controller通過service的接口來控制業務流程，也可通過接收前端傳過來的參數進行業務操作。而Spring框架是Java平台上的一種開源應用框架，具有控制反轉（IOC）特性，IOC旨在方便項目維護和測試，它提供了一種通過Java的反射機制對Java對象進行統一的配置和管理的方法。Spring框架利用容器管理對象的生命周期，容器可以通過掃描XML文件或類上特定Java註解來配置對象，開發者可以通過依賴查找或依賴注入來獲得對象。Spring框架具有面向切面編程（AOP）框架，SpringAOP框架基於代理模式，同時運行時可配置；AOP框架主要針對模塊之間的交叉關注點進行模塊化。Shiro是Apache旗下一個強大且易用的Java安全框架，執行身份驗證、授權、密碼和會話管理。開發傳統Java WEB工程時，我們可以使用JSP頁面模板語言，但是在SpringBoot中已經不推薦使用了，而Thymeleaf就是SpringBoot支持的一種頁面模板語言，它能夠處理HTML，XML,JavaScript，CSS甚至是純文本，其作用就是把各個用戶的公用的東西（頁面）做一個提取，然後再根據不同的數據對頁面進行渲染。Bootstrap是基於HTML、CSS、JavaScript 開發的簡潔、直觀、強悍的前端開發框架，它使得 Web 開發更加快捷。而數據庫與Web服務器之間的數據交互採用MyBatis框架，在說明MyBatis之前，首先明確ORM和JPA兩個概念。ORM即對象關係映射，它是一種思想，是指將數據庫中的每一行數據用對象的形式表現出來，例如在Java中，它可以將數據庫中每一行數據表現為Java的一個對象，這樣的好處是便於不熟悉SQL語句但熟悉Java的編碼人員可以方便地操作數據庫；JPA是Java持久化接口的意思，它是JavaEE關於ORM思想的一套標準接口，僅僅是一套接口，不是具體的實現。而MyBatis則是一個實現了JPA規範的用來連接數據庫並對其進行增刪改查操作的開源框架 ，它能夠很好地與SpringBoot進行兼容，便於服務器與數據庫進行數據交互。

終端app採用Android進行開發，主要涉及的一個問題是app與服務器通信的問題，本項目採用的方案是使用Android端用於處理網絡請求的開源框架OKhttp，該框架基於HTTP協議。從以上描述可以得出app與服務器之間進行的數據處理流程為：app基於HTTP協議向服務端發送Post請求，服務端根據接收到的不同的請求執行不同的業務，該業務就是通過MyBatis對數據庫進行增刪改查等工作，執行完畢，服務端再將執行的結果以Json的形式返迴響應給app，從而app可以確定操作是否執行成功。Web後台管理程序與Web服務器之間採用B/S架構，它們之間的交互流程為：前台通過表單或JavaScript使用Formdata對象向後台提交數據，後台根據接收到數據執行相關的業務，進而將業務執行結果以及請求的資源返回給前台，展示在用戶瀏覽器中。

a. 硬件

機器人採用主、從動輪驅動結構，前輪與側面輪為驅動輪，可以上下擺動，方便越障；後輪為從動輪（根據產品不同應用，同樣可以使其成為主動輪），在越障時提供支撐作用；腹部四個驅動輪平行排列，可使小車在越障時保持自身的平衡性。頭部採用四杆機構，通過變形達到抬起車輪越障的目的；側翼採用平行四邊形架構，能有效的適應複雜的障礙物路面。頭部四杆機構和側翼平行四邊形結構的變形增強了機器人的越障性能。機器人在進行越障時，首先頭部車輪與障礙物接觸，摩擦力克服重力結合四杆機構的變形，使頭部抬起，然後腹部車輪提供越障的驅動力進行越障。由於尾部通過連杆與腹部相連，在進行越障時給了機器人可靠的支撐，保證了機器人越障的穩定性。

崎嶇表面行走機器人的整體結構包括:頭部、腹部、側翼和尾部四個部分，其連接方式為:頭部與腹部鉸接，左右兩個側翼分別鉸接於腹部，尾部與腹部固定連接。

機器人腹部主要起支撐整車支架的作用，其他各個部分均要與腹部相聯接，為了使機器人能夠完成一定科學探測或探險等任務，腹部具有適當的空間以容納一定的負載並具有一定的負載能力。機器人腹部包括:殼體、箱蓋、頭部連接塊,側翼連接塊、尾部連接塊。箱蓋置於殼體之上，頭部連接塊通過螺釘固定聯接於殼體的前壁，四個側翼連接塊分別通過螺釘固定聯接於殼體的左右兩側，每側上下布置兩個，尾部連接塊通過螺釘固定連接一於殼體的後壁。其中殼體是中空的，其中可以放置機器人的控制裝置和電池以驅動各個電機實現機器人的前進、後退和左右轉彎運動，此外還可以為其他負載提供一定的空間。

由於崎嶇表面行走機器人的越障採用了分批越障的形式，即首先頭部一個車輪抬起越障。機器人頭部需要通過變形將頭部車輪抬起，故我們採用了四杆機構。因此採用如圖2.9所示結構。頭部結構主要包括:頭部扭簧、短曲柄板、曲柄板聯接筒、螺栓、長曲柄板、連杆板、連杆安裝塊、轉向電機安裝板、轉向電機、轉向套筒、L形支承板、驅動電機、輪子。

在機器人左右兩側分別設置了一套平行四邊形機構，利用平行四邊形機構的變形能力以適應複雜地面。左右兩個側翼分別鉸接於腹部。如圖所示，機器人側翼結構主要由以下構件組成:橫肋、若干螺栓、腿外板、腿內板、腿連接塊、驅動電機、輪子螺栓穿過橫肋中心孔，與腹部的側翼連接塊中心孔固定聯接。腿外板與腿內板分別將兩橫肋的一端夾住，穿過螺栓形成轉動副，其下端夾住腿連接塊並焊接或粘結；驅動電機通過螺紋聯接與腿外板固定，其輸出軸穿過腿外板，與輪子固定聯接，這樣組成了一條腿。兩條腿與兩橫肋組成一個平行四邊形機構。

將頭部短曲柄板和長曲柄板用螺栓與腹部殼體相聯形成鉸鏈，兩個側翼平行四邊形機構用螺釘鉸接於腹部的四個側翼連接塊，四個側翼連接塊使兩個側翼與腹部殼體之間有一定的距離使兩者不接觸以避免摩擦，又由於兩個側翼與側翼連接塊有較大的接觸面積而提高了側翼的橫向剛度，增強了橫向穩定性。尾部尾板與腹部的尾部連接塊在接觸面粘結後並通過螺栓相聯。

機器人尾部結構主要包括:尾板,螺栓、尾板連接塊、轉向電機安裝板、轉向電機、轉向套筒, L形支承板、驅動電機、輪子。兩片尾板上端夾住腹部中的尾部連接塊，並焊接或粘結，下端夾住尾板連接塊，並焊接或粘結。尾板連接塊下端面與轉向電機安裝板焊接或粘結，轉向電機通過螺紋聯接與轉向電機安裝板固定，其輸出軸穿過轉向電機安裝板，轉向套筒套在轉向電機輸出軸上，由螺釘鎖緊，其下端面與L形支承板上端面焊接或粘結。驅動電機通過螺紋聯接與形支承板固定，其輸出軸穿過L形支承板，與輪子固定聯接.

本產品克服了傳統輪腿式越障機器人存在的各種不足，並且性能迎合市場需求。該款崎嶇表面行走機器人相比於傳統機器人，簡化了機器人的本體結構，同時由於採用被動式地形適應機構，因此該機器人的控制系統得以簡化，提高了機器人工作時的可靠性。本產品具有很強的野外適應能力和越障能力，可以適應水泥地、草地、沙地和泥濘路面等多種複雜地形。並且能夠攀爬高度大於輪子直徑二倍的台階、可以通過斜度約等於50度的複雜斜坡。

該款崎嶇表面行走機器人尾部可設置轉向電機，通過轉向套筒帶動後輪在前輪轉向的同時進行轉向，能夠實現近似零半徑轉向。當沿機器人中軸線直行前進運動時，通過控制驅動六個前進驅動電機並使其速度相同，此時頭部和尾部的轉向電機無驅動。如圖2.11左所示。只要控制六個驅動電機使其反向轉動，就可以使機器人直行後退運動圖2.11（a）為崎嶇表面行走機器人順時針近似零半徑轉彎，此時機器人前進運動停止，通過控制使其頭部轉向驅動電機順時針轉動90°，尾部轉向驅動電機逆時針轉動90°，然後腹部右側兩輪前進電機反向驅動，其他前進電機轉向不變，就可以實現順時針近似零半徑轉彎。圖2.11（b）所示為機器人逆時針近似零半徑轉彎，此時機器人前進運動停止，通過控制使其頭部轉向驅動電機逆時針轉動90°，尾部轉向驅動電機順時針轉動90°，然後腹部左側兩輪前進電機反向驅動，其他前進電機轉向不變，就可以實現逆時針近似零半徑轉彎。

大部分越障機器人工作過程都屬於主動越障的過程，程序複雜，不易操作，無法廣泛應用於市場，而本產品屬於被動式越障機器人，控制程序得以簡化，同時由於結構的優化，提高了機器人工作時的可靠性和經濟性，大大增強了越障機器人的可推廣性。

隨着中國跑步進入老齡化社會，60歲以上的老人數量快速增多，獨居、孤寡的「空巢老人」也正以前所未有的速度增長。有數據顯示，2000至2010年十年間，中國城鎮空巢老人比例由42%上升到54%，農村由37.9%升到45.6%，2013年中國空巢老人人口超過1億。

農村城鎮子女外出務工較為普遍，老年人居住無電梯的樓棟較為常見，老舊小區加裝電梯不切實際，而老年人上下樓取快遞較為不便，雖然人工送取快遞到戶十分方便快捷，但大多數快遞員將快遞送到小區門口或者小區快遞代收點便算完成快遞派送，一些老年人上下樓取快遞因為腿腳不便，這無疑增添了隱形的危險。如果要專門的人送快遞上門，是一項需要耗費巨大的人力、物力、財力的工作，在快遞配送這一方面，本產品可以負重爬樓將快遞或者物品送到社區居民手裡，這也打通了快遞代收點到用戶手中這「最後一公里」，經市場調查，本產品具有很大的潛在市場空間。

該產品機器人系統的總體結構是以STM32單片機為核心，結合磁導航傳感器，設計了包括運動控制、避障、定位導向和電源等模塊，並創新算法計算出最佳行駛路徑。產品機器人基於良好的結構性能和運輸性能，可以很好的解決快遞業「最後一公里」問題。

社區快遞機器人成本低、效費比好、適應性強，擁有許多強於人工的優點，在快遞運輸領域擁有廣闊的前景。產品研發主旨為用行駛結構機器人代替人工，機器人運送快遞至指定位置並向收貨人發送快遞到達信息，一方面既節省了快遞輸送的人工成本，另一方面又節省了人們取快遞所要花費的時間，減少了老年人因為取快遞可能會造成的不必要麻煩。

我們以該社區快遞機器人為研究對象，從該社區快遞機器人的肢體硬件和系統軟件研究，現分析後者。研發能智能定位、智能導航、智能避障的嵌入式智能控制系統。研究從每一個模塊的功能採樣、分析、選擇、判斷、指令輸出等出發，形成一套性能高、穩定性高的中央處理系統。

該機器人主要能完成以下功能

產品有很強的野外適應能力和越障能力，可以適應水泥地、草地、沙地和泥濘路面等多種複雜地形。並且能夠攀爬高度大於輪子直徑二倍的台階、可以通過斜度約等於50度的複雜斜坡，進行零半徑轉向。

機器人能過自動規划行走路徑，並能夠通過傳感器感知障礙，實現自動避障。添加定位導向模塊，由GPS定位模塊和傳感器模塊組成，實時的測量運輸機器人小車的運動軌跡，保證工作可靠性。

機器人腹部及腹部以下均有較大空間可以儲存快遞，腹部採用「摩天輪」快遞箱，內置有旋轉分割板，能給分隔快遞，保障每個快遞的安全，當運送較大快遞時，還可將分隔板取下。運輸快遞較多時，可在腹部以下加裝快遞運輸箱，通過移動快遞運輸箱擋板的位置可將快遞固定。

機器人腹部頂端設有電子屏幕，可以顯示用戶快遞所在位置，同時可以進行廣告宣傳，增加額外收入。團隊開發線上端微信小程序實現社區快遞精準服務。

該社區快遞機器人系統的總體結構是以STM32單片機為核心，結合磁導航傳感器，設計了包括運動控制、避障、定位導向和電源等模塊，並運用改進的蟻群算法計算出最佳行駛路徑。本機器人基於良好的結構性能和運輸性能並結合現在日趨完善的人臉識別功能和GPS導航定位系統，可以很好的解決快遞業「最後一公里」問題。

本社區快遞機器人成本低、效費比好、適應性強，擁有許多強於人工的優點，在快遞運輸領域擁有廣闊的前景。產品機器人的研究主旨為用社區快遞機器人代替人工，機器人運送快遞至指定位置並向收貨人發送快遞到達信息，一方面既節省了快遞輸送的人工成本，另一方面又節省了人們取快遞所要花費的時間，減少了老年人因為取快遞可能會造成的不必要麻煩。

團隊以社區快遞機器人為研究對象，研發能智能定位、智能導航、智能避障的嵌入式智能控制系統。研究從每一個模塊的功能採樣、分析、選擇、判斷、指令輸出等出發，形成一套性能高、穩定性高的中央處理系統，將中央處理系統主要分為六個模塊：核心板模塊、控制模塊、避障模塊、定位導向模塊、電池模塊、信息處理模塊。