移動式醫(yī)療服務(wù)機器人系統(tǒng)設(shè)計

宋倩倩，李曉彤

（泰山學(xué)院，山東泰安，271000）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷進步與快速發(fā)展,在現(xiàn)代科學(xué)進步技術(shù)的不斷推動下,醫(yī)療器械技術(shù)也隨之不斷地快速發(fā)展和不斷創(chuàng)新,在此背景下,用于健康醫(yī)療的新型智能醫(yī)生機器人應(yīng)運而生,為我國現(xiàn)代健康醫(yī)療行業(yè)注入了新的技術(shù)活力。但現(xiàn)階段正在研究或是已上市的機器人大多存在功能單一的特點，容易造成醫(yī)院內(nèi)采用多種機器人的情形，在人流較多的醫(yī)院不利于開展工作。以新型冠狀病毒肺炎來說，該新型冠狀肺炎病毒傳播急性感染肺炎速度快、危害大并且范圍廣。因其病毒傳播的特點，醫(yī)護人員不得不全身武裝對病人進行監(jiān)測治療，不僅加大醫(yī)護人員的自身負(fù)擔(dān)，也增大了醫(yī)護人員的傳染力度。

本文移動式醫(yī)療服務(wù)機器人最主要的體現(xiàn)便是多功能化，實現(xiàn)一機多用，既可代替醫(yī)護人員進入隔離區(qū)監(jiān)測病人體溫詢問病患相關(guān)身體情況，同時也可完成藥品食物運送并進行消毒，可降低醫(yī)護人員進入隔離區(qū)的次數(shù)，減小受感染概率。

1 移動式醫(yī)療服務(wù)機器人工作原理

機器人采用多傳感器融合技術(shù)，通過單片機總體控制紅外測溫，行駛與避讓，語音識別與交流，自動回充四個環(huán)節(jié)實現(xiàn)，同時利用大數(shù)據(jù)云端及無線對講原理實現(xiàn)人機交互。

機器人行駛至用戶身邊進行非接觸式測溫。測溫后機器人會詢問用戶需求并反饋到醫(yī)生的電腦或手機端。醫(yī)生可以選擇以視頻和語音直接與用戶交流或以文本形式將答案反饋給機器人，機器人將顯示并朗讀內(nèi)容。當(dāng)機器人電量過低時，若機器人正在工作中，會將工作轉(zhuǎn)接至其余空閑機器人然后返回充電，若機器人處于空閑，返回期間不會接收用戶。其總體設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文以STM51為核心板器件，采用多傳感器融合技術(shù)。由STM51單片機為中心控制處理器，在按規(guī)劃路線行駛到指定位置時，超聲測距傳感器與定位傳感器共同作用，完成指定任務(wù)；行駛途中紅外測溫傳感器實時作用，在進行播報與交流時，語音互動模塊調(diào)動大數(shù)據(jù)云端，將相關(guān)指令反饋給中心控制器進行播報。多傳感器工作互相配合，共同控制完成相應(yīng)活動，實現(xiàn)其功能。具體功能實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 硬件實現(xiàn)構(gòu)成圖

■2.1 紅外感應(yīng)測溫模塊

測溫儀表部件主要采用新型無接觸式紅外體溫溫度測量,紅外線光學(xué)測溫儀(infrared thermometer)由紅外光學(xué)測溫系統(tǒng)、紅外射線探測器、電信號圖像處理器、溫度變化指示器及其它附屬激光瞄準(zhǔn)器等部分構(gòu)成。由于任何感測物體在溫度高于絕對零度 (-273℃) 時都會從外表面發(fā)射大量的紅外線，溫度傳感器可以接收這些紅外線,以獲得高于感測物體溫度值的數(shù)據(jù)，所以采用熱敏感探測器，即可在獲得最小溫度誤差以及外界環(huán)境溫度對于傳感器測量的影響而得到被測者的體感溫度。溫度會由服務(wù)器實時上傳云端并由后臺醫(yī)護人員實時監(jiān)測得到體溫變化曲線，從而對病人做出下一步治療判斷。

圖3 紅外測溫原理圖

■2.2 行駛與避讓功能模塊

超聲波檢測技術(shù)具有能量指向性強、能量消耗慢、能量在化學(xué)介質(zhì)中傳播時間長等優(yōu)點，而且超聲波能量檢測技術(shù)往往比較快速、方便、計算簡單。易于控制實時定位，因此有必要使用航空超聲技術(shù)對衛(wèi)星導(dǎo)航進行實時定位。超聲波定時發(fā)射器同時向每個用戶身體的兩個方向發(fā)射超聲波。同時，系統(tǒng)啟動自動計時。當(dāng)遇到特定障礙物時，它會自動返回并暫時停止啟動計時。傳感器通過接收檢測到超聲返回來的信號后即可計算出從障礙物到移動機器人的運動距離,測距結(jié)束后傳感器驅(qū)動電機使機器人完成避讓任務(wù)。

運動部件采用四輪雙驅(qū)動，并可實現(xiàn)自動尋路以及主控尋路的功能。對于特殊病人，該機器人可以采用主動遙控的方式，通過前置的攝像頭，操控人員可以非常方便的遙控機器人與病人進行交互。對于一般的醫(yī)療需求，其可以設(shè)置自動模式，通過超聲波雷達裝置自動尋路，運放可選用NE5532，也可以直接選用CX20106。

■2.3 自動回充模塊

供電儲能電池部件主要采用儲能鋰離子燃料電池,其產(chǎn)品擁有非常低的電池、自放電率低的可維護性和相對短的電池充電持續(xù)時間，具有極為優(yōu)良的低溫操作性能，現(xiàn)已經(jīng)被廣泛采用。機器人開關(guān)采用直流開關(guān)電源進行供電,開關(guān)電源一般由控制脈沖頻率寬度信號調(diào)制、電路控制和控制開關(guān)電源構(gòu)成。產(chǎn)品具有體積小、重量輕、效率高等三大特點。Tdk-lambda的系列cdcus-m產(chǎn)品在冷卻條件下具有30W至350W的輸出功率和電壓等級，輸出能量電壓等級規(guī)格為5V至48V，輸出功率高，密度低，效率高，符合現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備應(yīng)用要求的標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

機器人開始工作后，不斷通過紅外測溫模塊測量周圍用戶體溫，當(dāng)發(fā)現(xiàn)體溫異常用戶時，發(fā)出語音提醒。同時，會對電量進行判定，當(dāng)機器人判斷電量不足時，會發(fā)送回充信號并控制運動部件返回充電樁進行充電。具體功能實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 軟件實現(xiàn)原理圖

■3.1 紅外感應(yīng)測溫設(shè)計

紅外加熱輻射溫度測溫主要依據(jù)就是紅外加熱輻射溫度原理—紅外輻射溫度定理:利用這個輻射原理設(shè)計制成的紅外溫度輻射測量專用儀表,也叫紅外輻射溫度儀表。紅外線測溫儀測得的紅外輻射為：物體從外表面發(fā)射紅外線，溫度傳感器接收這些紅外線從而獲得物體溫度值數(shù)據(jù)，由服務(wù)器傳送給云端，獲得溫度指標(biāo)。若溫度正常（低于37.3℃），則循環(huán)該過程；若體溫異常，數(shù)據(jù)反饋至單片機調(diào)動播報器進行播報，完成警報任務(wù)。

■3.2 行駛與避讓功能實現(xiàn)

在超聲波定時發(fā)射器向每個用戶身體的兩個方向發(fā)射超聲波的時刻，系統(tǒng)啟動自動計時。當(dāng)遇到特定障礙物時，它會自動返回并暫時停止啟動計時。傳感器通過接收檢測到超聲返回來的信號后即可計算出從障礙物到移動機器人的運動距離，測距離的公式定義為:l=c×t，其中：l為超聲所計算測得的距離，c為室內(nèi)超聲波在潮濕空氣環(huán)境中的持續(xù)傳播運動速度，t為超聲計時器所計算測得的持續(xù)時間。

■3.3 語音識別與交流

通過室內(nèi)信息數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)，其可代替醫(yī)生進入隔離區(qū)問診，識別用戶需求并進行語音回復(fù)，同時用戶還可選擇對講模式與醫(yī)生交流。

識別功能的實現(xiàn)是將框架識別為一種狀態(tài)，狀態(tài)組合成音素，音素組合成詞，通過 “聲學(xué)模型” 中的參數(shù)得到框架和狀態(tài)對應(yīng)的概率。同時，借助UCloud快杰云服務(wù)器構(gòu)建一個狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)中尋找最佳匹配路徑。構(gòu)建狀態(tài)語音網(wǎng)絡(luò)，直接將一個詞的詞級語音網(wǎng)絡(luò)擴展為音素詞級網(wǎng)絡(luò)，然后直接擴展為狀態(tài)語音網(wǎng)絡(luò)。語音狀態(tài)識別這個過程其實就是手機在一個狀態(tài)識別網(wǎng)絡(luò)中自動搜索一條最佳識別路徑,語音識別對應(yīng)這條最佳路徑的頻率概卒最大,這就被稱之為“解碼”。路經(jīng)剪枝搜索的常用算法路經(jīng)是一種用于動態(tài)快速規(guī)劃路徑剪枝的搜索算法,稱之為Erviterbit的算法,用于快速尋找一個全局最優(yōu)化的路徑。

在機器人通信方式方面我們采用A類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。類型A這種類型的網(wǎng)絡(luò)是用于系統(tǒng)傳感器/系統(tǒng)執(zhí)行器數(shù)據(jù)控制的低速通信網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送到傳輸?shù)刂返臄?shù)據(jù)的速率通常遠(yuǎn)小于l0kbit/s。這類低速網(wǎng)絡(luò)也有多種通信協(xié)議，目前，用戶首選的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是Lin。Linrt是一種新型的低功耗總線串行數(shù)字通信數(shù)據(jù)系統(tǒng)，用于制造汽車分布式總線電子控制通信系統(tǒng)。它主要是基于Lruart (universal異步接收器/發(fā)送器) 的串行數(shù)據(jù)通信格式，是基于主從總線結(jié)構(gòu)的單線12V電子控制總線串行通信數(shù)據(jù)系統(tǒng)。主要技術(shù)用于實現(xiàn)智能手機傳感器和智能執(zhí)行器的模擬串行數(shù)據(jù)通信。

使用醫(yī)療單位WiFi及局域網(wǎng)系統(tǒng)，醫(yī)護人員與病患可以通過機器人屏幕進行實時交流，家屬也可以采用線上方式主動接入網(wǎng)絡(luò)，與患者交流，照顧患者。對講機不受網(wǎng)絡(luò)限制不依靠第三方設(shè)備，對講模式的實現(xiàn)讓機器人在特殊情況下的通信更加可靠。為減小惡劣環(huán)境對通信系統(tǒng)的影響我們采用了數(shù)字通信系統(tǒng)讓其具有更強的抗干擾能力，能夠更快的傳回病患此時的狀態(tài)及各項身體指標(biāo)參數(shù)。

■3.4 云服務(wù)器搭建

UCloud快杰云服務(wù)器功能全面，采用AMD第二代EPYC處理器，主頻高達2.9GHz并支持多達37種配置規(guī)格，比SATA-SSD更低的延遲可以使機器人更好地完成回避功能。

4 結(jié)語

本設(shè)計將醫(yī)療服務(wù)機器人模塊化，既方便機器人的組裝與日常維護，也方便日后機器人的組件升級更新。該醫(yī)療機器人協(xié)助醫(yī)療工作者共同救治病患，既可日常跟蹤監(jiān)護，又可及時反饋緊急情況，縮短救治反應(yīng)時間。由于采用模塊化設(shè)計，與集成設(shè)計相比，具有更大的開發(fā)空間和維護效率，節(jié)省了資金。