Questo progetto è stato realizzato da Antonio Specchiarelli, studente del quarto anno di automazione dell'Istituto Tecnico "Levi" di Vignola (MO).

Ha partecipato, presso il Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia Leonardo da Vinci di Milano, alla fase finale della terza edizione delle Olimpiadi Nazionali di Robotica, organizzate dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR), classificandosi al 4^ posto.

Negli ultimi anni la tecnologia ha sviluppato sistemi finalizzati a fornire aiuto a persone malate o disabili in ambito domestico o ospedaliero. Questa esigenza di assistenza , che genera una sensazione di dipendenza e di scarsa autonomia nella persona assistita, provoca anche costi rilevanti per la persona e per il sistema sanitario nel suo complesso.

In quest’ottica la robotica si pone l’obiettivo di creare strumenti che possano migliorare la qualità della vita degli assistiti e semplificare le operazioni necessarie al loro supporto.

Il progetto DOCTOR.ROBOT nasce proprio con l’obiettivo di migliorare questa cooperazione tra uomo e robot operanti nel medesimo ambiente, sviluppando un robot capace di eseguire diversi compiti, sia indipendentemente che sotto la supervisione di operatore.


Il DOCTOR.ROBOT

Nel mondo della robotica, la soluzione che offre la maggiore flessibilità nell’ambito dell’assistenza è rappresentata dai robot mobili autonomi che consentano anche il trasporto di oggetti.

Doctor Robot è stato progettato per essere impiegato negli ospedali, nelle case di cura e anche nelle abitazioni private, per la consegna puntuale dei farmaci ai pazienti.

E’ un robot di media dimensione, con una sensoristica eterogenea. Presenta una struttura abbastanza compatta (30 x 30 cm di ingombro e 70 cm di altezza), come si vede in figura 1, che contiene tutti i dispositivi atti al controllo del sistema.

Figura 1a. Prima versione

Figura 1b. Seconda versione

Il movimento del robot è realizzato tramite quattro ruote, che lo sorreggono e gli consentono di muoversi agevolmente in un ambiente indoor. Due ruote pricipali sono movimentate in modo indipendente da due motori, mentra le altre due ruote snodabili sostengono e accompagnano i movimenti del robot.

Per quanto riguarda i sensori, Doctor Robot monta un encoder che tiene traccia del numero di giri della ruota e quindi dello spazio percorso, un senore ad ultrasuoni, che permette al robot di rilevare gli ostacoli ed arrestarsi prima di collidere, un sensore a infrarossi, usato come sensor tracking per consentire al robot di seguire un tracciato disegnato sul pavimento. Il robot è anche dotato di un sensore di visione, rappresentato da una videocamera Wi-Fi, che aiuta l’operatore ad ottenere informazioni sull’ambiente circostante prima di pianificare una traiettoria di moto. Infine un sensore blue-tooth che trasforma un qualunque smartphone, equipaggiato di opportuna app, in un joystick per la gestione da remoto del robot.

Il dispositivo di controllo dell’intero sistema è un Arduino Mega 2560 , una scheda elettronica basata sul microcontrollore Atmega2560 che, con i suoi 54 pin digitali e 16 analogici, riesce a gestire tutta la sensoristica e la movimentazione del robot. Arduino, grazie a quattro integrati Motor Driver L293D, capaci ognuno di pilotare due motori in corrente continua, comanda sia i motori collegati alle ruote sia quelli che movimentano i carrelli distributori.

Questi integrati sono inoltre dotati di una protezione interna che, in caso di surriscaldamento, limita la corrente in uscita fino al ripristino della temperatura ottimale.


I componenti del robot

Una delle caratteristiche principali dell’intero sistema è l’utilizzo di materiali di riciclo per la sua costruzione. La struttura, originariamente di legno poi in seguito modificata utilizzando alluminio e profilati per renderla più leggera ed elegante, ha uno chassis ottenuto con cartellonistica stradale dismessa. Le cassettiere automatiche che sistribuiscono medicine ed acqua sono lettori CD recuperati da vecchi PC e anche l’encoder altro non è se non un mouse “rivisitato”. Nella figura 2 si può vedere il robot nella sua prima versione.

Figura 2.

Tutta la parte elettronica, invece, è stata cablata ex novo per dare spazio alla pompa distributrice dell’acqua e al nuovo sistema di visione, costituito da una videocamera DCS 5000L già dotata di servomeccanismi per il suo orientamento.

Per motivi di sicurezza, la movimentazione di DOCTOR.ROBOT è segnalata da una luce lampeggiante posta sulla sommità della struttura. Altre luci di cortesia sono disposte sulla superficie inferiore della base, così come led rossi e verdi sono posizionati posteriormente ed anteriormente, per consentire una rapida valutazione dello spostamento del robot in allontanamento o avvicinamento.

Un modulo registratore e riproduttore vocale ISD1820, che integra un microfono con speaker esterno ad 8 ohm e i pulsantini per la registrazione dell’informazione vocale, si interfaccia facilmente con Arduino che attiva la riproduzione del messaggio registrato.

E’ inoltre presente, lateralmente al robot, un pannello di controllo che integra, oltre ai vari selettori e relative segnalazioni luminose, un selettore per la scelta della modalità di funzionamento e un display lcd 20x4 che visualizza la scelta effettuata.

Funzionamento del sistema

DOCTOR.ROBOT si presenta come un dispositivo estremamente flessibile per le varie modalità di funzionamento.

Concentrandoci solo sulla consegna dei medicinali, funzione che rappresenta l’idea prioritaria di progetto, vediamo che mediante l’uso del selettore sia possibile scegliere tre diverse opzioni di consegna.


  • CONSEGNA MANUALE

Il robot viene gestito da remoto tramite uno smatphone, collegato via bluetooth, utilizzando una app scaricata dal web che lo trasforma in un joystick. Tutti i movimenti del robot e le informazioni sull’ambiente circostante sono trasmesse all’oeratore dalla videocamera. Per comodità di utilizzo, e quindi per avere una visione più chiara, si utilizza un PC collegato via WiFi con la telecamera.


  • CONSEGNA SEMIAUTOMATICA

In questa modalità il robot utilizza delle informazioni preprogrammate sulla posizione delle camere e sui pazienti che le occupano. Tramite il pannello di controllo l’operatore sanitario decide in quale stanza inviare il robot per la consegna dei farmaci. A questo punto la movimentazione del robot viene gestita dal sistema di controllo, che porta DOCTOR.ROBOT nella stanza prescelta, comunica al paziente con un messaggio vocale che è l’ora di assumere il medicinale, consegna il farmaco prescritto aprendo il carrello laterale e distribuisce un bicchiere di acqua per favorirne l’assunzione. Terminato il compito DOCTOR.ROBOT rientra alla postazione di base.


  • CONSEGNA AUTOMATICA

Modalità simile alla precedente, ma che esclude la scelta dell’operatore sanitario. Il robot esegue le operazioni di consegna dei farmaci in modo totalmente automatico, seguendo un percorso tracciato sul pavimento e facendo un controllo della distanza percorsa con l’utilizzo di un encoder.

Qualunque modalità di funzionamento venga scelta, rimangono in funzione sia la videocamera, per il controllo del percorso e per accertarsi che il paziente abbia assunto il farmaco, e il sensore a ultrasuoni, per evitare l’impatto con eventuali ostacoli sul percorso e quindi bloccare il robot.


Conclusioni

In questo lavoro è stata sviluppata sia la parte hardware sia il sotware di un sistema di controllo di un robot mobile autonomo con l’obiettivo di creare un dispositivo che sia di aiuto al lavoro di un operatore sanitario e/o si supporto per una persona malata.

La parte più complicata è stata miscelare le varie modalità di funzionamento nella programmazione di Arduino, facendo modo che le informazioni provenienti dai vari sensori non venissero perse durante l’esecuzione di una parte del programma.

Sono chiaramente possibili migliorie e implementazioni varie al progetto, che pur tuttavia, nella sua limitata funzionalità, si mostra sufficientemente completo.


Alcune possibili estensioni a questo lavoro potrebbero essere:

  • l’inserimento di una interfaccia utente user-friendly, come un touch screen dotato di una grafica che permetta all’utente di comunicare al robot i task da svolgere, o un assistente vocale tipo Siri o Ok Google.
  • l’implementazione di un sistema di ricarica delle batterie, magari ad induzione, in prossimità di uno o più punti di ricarica posti nella struttura ospitante il robot.
  • l’aggiunta di cassetti protetti con chiusura elettromeccanica, per proteggere medicinali particolari o esami di laboratorio o materiali riservati.
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