基于ROS的智能老年助手機器人研究

郭悅新 王宇 沈榮標 陳鈺

摘?要：針對老年人服用藥物、子女無法全天候進行陪伴成為當今社會常態(tài)問題，本文研制了一款基于ROS的智能老年助手機器人，它集智能導(dǎo)航與路徑規(guī)劃控制、智能監(jiān)測、智能藥物存儲、遠程視頻交互等于一體，實現(xiàn)對老年人的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠程監(jiān)控管理，智能藥箱、非接觸式生理信號檢測模塊、音頻交互等多模塊與機器人本體的相結(jié)合，極大地豐富了智能老年助手機器人的功能，從而保證了老年人生理、心理健康，大大增加了實用價值。

關(guān)鍵詞：ROS機器人;生理信號;智能藥箱;老年助手

Research?on?Intelligent?Elderly?Assistant?Robot?Based?on?ROS?Robot

Guo?Yuexin*?Wang?Yuchong?Shen?Rongbiao?Chen?Yu

Tianjin?University?of?Technology?and?Education?Tianjin?300222

Abstract：Aiming?at?the?problem?that?the?elderly?taking?drugs?and?their?children?;cannot?be?accompanied?around?the?clock?are?the?normal?social?problems?in?today's?society，this?article?has?developed?a?ROSbased?intelligent?elderly?assistant?robot，which?integrates?intelligent?navigation?and?path?planning?control，intelligent?monitoring，intelligent?drug?storage，and?remote?video?interaction.One，to?realize?the?intelligent?drug?management，intelligent?home?management?and?intelligent?remote?monitoring?management?for?the?elderly，the?combination?of?intelligent?medicine?cabinet，noncontact?physiological?signal?detection?module，audio?interaction?and?other?modules?with?the?robot?body，greatly?enriched.The?functions?of?the?intelligent?elderly?assistant?robot?are?thus?ensured?to?ensure?the?physical?and?psychological?health?of?the?elderly，which?greatly?increases?the?practical?value.

Keywords：ROS?robot;Physiological?signal;Smart?medicine?box;Elderly?assistant

隨著全球老齡化人口及慢性疾病患病率的增加，老年人服用藥物已成常態(tài)[12]。但由于子女無法全天候陪伴與看護，造成老年人時常出現(xiàn)錯服或漏服藥物[3]，對老年人疾病的控制與治療產(chǎn)生一定的影響。

新型的智能藥箱、陪護機器人的研制為老年人的健康保駕護航。國內(nèi)學(xué)者針對智能藥箱、陪護機器人的研究日益成熟，例如天津某電子科技有限公司[4]研發(fā)的基于STM32的新型智能藥箱，采用硬件+APP實現(xiàn)智能管理及提醒用藥;重慶交通大學(xué)[56]研制的一款小型家用多功能智能藥箱，解決了配藥速度及結(jié)構(gòu)空間緊湊，滿足老年人獨自居家使用。這在一定程度上解決了老年人服用藥物問題，但功能相對簡單，無法滿足用戶的高級需求。

因此本文提出了一種基于ROS的智能老年助手機器人，實現(xiàn)對老年人的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠程監(jiān)控管理等，以滿足當代青年的智能化需求，在改善老年人健康居家生活提供一定參考。

1?智能老年助手機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)與功能

智能老年助手機器人的三維模型如圖1所示。智能老年助手機器人主要由視覺模塊、顯示模塊、藥物儲存模塊、激光雷達模塊、控制處理系統(tǒng)、紅外視覺模塊、限位開關(guān)模塊、運動模塊、電機模塊以及電池模塊等組成。智能老年助手機器人系統(tǒng)模塊框架如圖2所示。智能老年助手機器人主要致力于老年人群體的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠程監(jiān)控管理，以確保老年人的居家安全。

1.1?遠程視頻交互及監(jiān)控功能

智能老年助手機器人系統(tǒng)，集視覺模塊、顯示模塊和控制處理系統(tǒng)模塊于一體，實現(xiàn)對老年人智能視頻信息交互及遠程老年人生理信號（心率、血壓、體溫等）監(jiān)測功能，從而達到老年人的遠程監(jiān)護與陪伴。

1.2?智能環(huán)境感知及智能跟隨功能

為保證老年人健康安全的實時監(jiān)護，智能老年助手機器人通過激光雷達模塊、紅外視覺模塊、視覺模塊以及控制處理模塊共同實現(xiàn)老年人周圍環(huán)境信息的建模和對老年人身份識別與智能跟隨。若視覺模塊發(fā)現(xiàn)老年人異常（摔倒、危險操作），將進行“報警”處理。

1.3?藥物智能化管理功能

為解決藥物的智能化管理，智能老年助手機器人將藥物儲存系統(tǒng)分為兩種模式：用戶模式和管理員模式，通過藥物儲存模塊（藥物儲存）、視覺模塊（人臉識別）以及顯示模塊（藥物信息、數(shù)量等），實現(xiàn)藥物的智能分發(fā)及藥物信息的智能化管理，進而避免出現(xiàn)藥物混淆及誤食等問題。

2?智能老年助手機器人硬件設(shè)計

智能老年助手機器人采用模塊化設(shè)計，其主要系統(tǒng)如圖2所示。

2.1?控制處理系統(tǒng)

由于保障智能老年助手機器人的正常運行對控制處理系統(tǒng)提出更高的要求。本研究主要選用ROS?Kinetic版本的bobac控制處理系統(tǒng)[7]作為智能老年助手機器人的頂層控制系統(tǒng)，保障了智能老年助手機器人未知環(huán)境建模與視覺模塊的應(yīng)用實現(xiàn)，控制處理系統(tǒng)實物如圖3所示。選取STM32F103ZE作為智能老年助手機器人底層控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對運動模塊的控制、藥物處理模塊等的控制。

2.2?導(dǎo)航模塊

智能老年助手機器人系統(tǒng)架構(gòu)主要基于ROS機器人平臺開發(fā)，利用激光雷達主要實現(xiàn)機器人定位與未知環(huán)境地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航與避障功能。首先在機器人控制器中編寫機器人運動Node（設(shè)置運行速度、整機直徑等）;然后進行SLAM地圖構(gòu)建：激光雷達掃描環(huán)境場信息，自動標注環(huán)境場中存在的障礙物位置信息，實時顯示高精度地圖信息;最后運用Navigation導(dǎo)航并結(jié)合智能視覺識別模塊，實現(xiàn)了智能老年助手機器人的智能導(dǎo)航與跟隨功能。

2.3?藥物存儲模塊

藥物存儲模塊由多個分體式倉位組成，通過視覺模塊及控制處理系統(tǒng)判斷識別到用戶需求藥品時，驅(qū)動電機彈出裝載相應(yīng)藥品的倉位并在顯示模塊上顯示藥物相關(guān)信息，語音提醒用戶藥物性質(zhì)及服用方法。其中藥物儲存模塊管理應(yīng)用流程如圖4所示。

2.4?監(jiān)測模塊

由于子女不能時刻陪伴在居家老人身邊，一旦出現(xiàn)心率過高，心臟驟停、發(fā)燒等現(xiàn)象，其致死率極高[7]。智能老年助手機器人檢測模塊主要基于視覺模塊進行人體生理信號的監(jiān)測，利用視覺模塊采集人體面部圖像作為生理信號采集興趣區(qū)域，采用ViolaJones人臉檢測器對人臉部信息的自動初始化檢測，并運用MRC算法、主成分分析、快速傅里葉變換及時/頻轉(zhuǎn)換等算法完成對血壓、心率、血氧飽和度信號的提取，利用紅外光和可見光雙重驗證測溫技術(shù)實現(xiàn)老年人遠程體溫檢測，從而達到老年人生理體征信息的自動預(yù)警、全局掌握功能。其中檢測模塊中人體生理信號測量流程圖如圖5所示。

結(jié)語

本文研發(fā)了一種基于ROS的智能老年助手機器人，集智能導(dǎo)航控制、智能監(jiān)測、智能藥物存儲、遠程視頻交互等于一體，實現(xiàn)對老年人的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠程監(jiān)控管理等，一定程度上保障了老年人居家健康安全。

參考文獻：

[1]張強，田海濤，崔煜.基于STM32的新型智能藥箱的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國照明電器，2019（04）：1417.

[2]席潤潤，陶炎炎，張慧.智能藥箱在社區(qū)老年人護理中的應(yīng)用探究[J].科技風(fēng)，2021（03）：1516.

[3]鄔宗鵬，陳西忍，武衛(wèi)華.溫情助老藥箱的設(shè)計與制作[J].機械工程師，2021（03）：3941+45.

[4]陳豹，孫夢凡.一種具有分類提醒功能的智能藥箱設(shè)計[J].中國高新科技，2019（01）：98100.

[5]崔怡欣，劉宗偉，劉安彬，等.一款小型家用多功能智能藥箱的設(shè)計[J].機電信息，2021（14）：3739.

[6]管明浩，王艷媛.基于STM32的家用智能藥箱[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（09）：7576.

[7]宋凱倫，喻恒.ROS移動醫(yī)療服務(wù)機器人的定位設(shè)計實現(xiàn)[J].科技視界，2021（03）：4749.

基金項目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（202010066146）

*通訊作者：郭悅新（2001—?），女，本科，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，研究方向：智能機器人技術(shù)及應(yīng)用。