陳曦+楊雅慧+趙嘉麒+吳亞聯(lián)

摘 要：基于目前醫(yī)療服務(wù)的需求，文中設(shè)計(jì)了一款用于醫(yī)院智能導(dǎo)診服務(wù)的機(jī)器人。該機(jī)器人融合了STM32硬件平臺(tái)、傳感器應(yīng)用、圖形界面設(shè)計(jì)、路線規(guī)劃等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)就診流程導(dǎo)診、科室路線指引以及常規(guī)心率體溫?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量等。文章從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、硬件模塊搭建、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)新點(diǎn)等方面，詳細(xì)描述了整體的設(shè)計(jì)方案和開發(fā)過程。實(shí)驗(yàn)和使用表明，該智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人界面顯示清晰，工作運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足人們就醫(yī)過程中的服務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人；流程導(dǎo)診；路線指引；人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）11-00-04

0 引 言

在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中[1]，機(jī)器人與高檔數(shù)控機(jī)床被列為政府需大力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域。人工智能程度的不斷加深和人民生活水平的不斷提高，使人們對(duì)醫(yī)療服務(wù)的要求由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變，因此醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)前景廣闊[2]。

目前在大型綜合性醫(yī)院，由于專業(yè)分工精細(xì)，一個(gè)診療過程所涉及的功能單元往往分布在不同樓宇、不同樓層的不同位置。由于醫(yī)院功能單元布局有調(diào)整、患者對(duì)醫(yī)院環(huán)境不熟悉，導(dǎo)致滯院時(shí)間較長(zhǎng)、診療效率降低，患者滿意度下降。醫(yī)院雖積極設(shè)立導(dǎo)診崗位、建立多媒體導(dǎo)診系統(tǒng)等，但仍存在與患者溝通困難，獲取信息速度較慢、眾多導(dǎo)診崗位需增大人力資源成本等問題。

現(xiàn)如今，借助現(xiàn)代機(jī)器人科技打造的智慧醫(yī)療，是解決目前醫(yī)院就診問題的一大趨勢(shì)。本文主要闡述了智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人[3]的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)過程，在STM32平臺(tái)[4]上通過硬件傳感器模塊[5]，與系統(tǒng)軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)診、智能指引[6]等服務(wù)功能，為改善醫(yī)療環(huán)境提供思路。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

我們初步設(shè)計(jì)了一款用于醫(yī)院智能導(dǎo)診的服務(wù)型機(jī)器人。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）智能導(dǎo)診：顯示不同患病類型的就診流程及相應(yīng)的就診科室，對(duì)患者進(jìn)行指引；

（2）智能指引：患者輸入去往的科室即可顯示目的地位置及對(duì)應(yīng)的樓層平面圖，確認(rèn)由機(jī)器人帶領(lǐng)后，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路線指引；

（3）常規(guī)檢查：接觸式傳感器，智能化檢測(cè)人體心率血氧、體溫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

（4）娛樂放松：機(jī)器人外設(shè)顯示屏可顯示多種動(dòng)態(tài)表情，仿佛機(jī)器人具有人的情感，同時(shí)機(jī)器人可進(jìn)行語音識(shí)別，對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)單回答，或播放音樂、笑話等；

（5）預(yù)約掛號(hào)：可自主預(yù)約就診時(shí)間及專家等，簡(jiǎn)化掛號(hào)流程。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖

結(jié)合醫(yī)療導(dǎo)診服務(wù)的需求分析，本智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人的核心由STM32微處理器、心率血氧傳感器、語音識(shí)別模塊等傳感器共同組成。其中，STM32微處理器對(duì)各傳感器收集到的數(shù)據(jù)[7]進(jìn)行處理，控制各模塊正常運(yùn)作。通過接觸體溫測(cè)量傳感器和心率血氧傳感器模塊獲得體溫和心率血氧數(shù)據(jù)。舵機(jī)用于機(jī)器人的輪子驅(qū)動(dòng)，保證機(jī)器人正常行走。驅(qū)動(dòng)模塊用于確保直流電壓下的工作電壓、電流穩(wěn)定。娛樂放松功能主要由語音識(shí)別模塊、語音播放模塊、7寸液晶串口屏等構(gòu)成。語音識(shí)別模塊收集外界語音信息，將詞匯轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可讀輸入，通過語音播放模塊輸出相應(yīng)的回答語句。7寸串口屏顯示導(dǎo)診機(jī)器人的動(dòng)態(tài)表情，使機(jī)器人更加人性化、智能化。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 體溫測(cè)量模塊

體溫傳感器是能感受體溫并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，通過使用者接觸該傳感器獲取人體體溫，利用溫度傳感器輸出電信號(hào)，再將電流信號(hào)發(fā)送給STM32控制器進(jìn)行處理。我們使用DS18B20溫度傳感器，該傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，能夠直接讀出被測(cè)溫度并可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。

電路原理如圖2所示。

2.2 心率血氧測(cè)量模塊

心率血氧傳感器模塊利用特定波長(zhǎng)紅外線對(duì)血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積變化敏感的特性，檢測(cè)由心臟跳動(dòng)引起的指尖血液變化，經(jīng)過信號(hào)放大、調(diào)整等電路處理。其中SON1303輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算脈率，SON7015輸出反映指尖血容積變化的完整脈搏波電壓信號(hào)，將測(cè)量的心率血氧數(shù)據(jù)發(fā)給STM32處理器進(jìn)行處理。我們采用MAX30102心率血氧模塊，便于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量。

電路原理如圖3所示。

2.3 語音識(shí)別模塊

語音識(shí)別模塊是一種基于嵌入式語音識(shí)別技術(shù)[8]的模塊，可通過串口輸出識(shí)別結(jié)果，主要包括語音識(shí)別芯片和一些其他附屬電路，能夠方便地與主控芯片通信，實(shí)現(xiàn)語音交互。

本系統(tǒng)采用了ICRoute公司生產(chǎn)的LD3320語音控制芯片來實(shí)現(xiàn)語音的簡(jiǎn)單識(shí)別。該模塊利用非特定人語音識(shí)別技術(shù)，用戶無需進(jìn)行錄音訓(xùn)練；具有可動(dòng)態(tài)編輯的識(shí)別關(guān)鍵詞列表，只需把識(shí)別的關(guān)鍵詞以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可在下次識(shí)別中立即生效；支持用戶自由編輯50條關(guān)鍵詞，在同一時(shí)刻，可在50條關(guān)鍵詞中進(jìn)行識(shí)別，終端用戶可根據(jù)場(chǎng)景需要，隨時(shí)編輯和更新這50條關(guān)鍵詞的內(nèi)容。電路原理如圖4所示。

2.4 語音播放模塊

本模塊使用LM102語音播放模塊，該模塊具備兩組接口，支持音響功放連接，價(jià)格低廉，工作穩(wěn)定。

其電路原理如圖5所示。

2.5 運(yùn)動(dòng)控制模塊

本模塊主要通過微處理器輸出的PWM波控制舵機(jī)的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制[9]。舵機(jī)信號(hào)線接收來自主控板的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)相連，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而使目標(biāo)停止。在該系統(tǒng)中，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使機(jī)器人正常行走。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 初始化界面設(shè)計(jì)

本作品顯示界面（串口屏）主要負(fù)責(zé)顯示服務(wù)信息和接收來自核心處理器STM32傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。首先進(jìn)行界面初始化，受到信號(hào)觸發(fā)進(jìn)入顯示界面，顯示子界面分別為智能導(dǎo)診、智能指引、常規(guī)檢查、預(yù)約掛號(hào)。該部分程序的實(shí)現(xiàn)基于C編程來完成。

其整體設(shè)計(jì)和基本算法的架構(gòu)流程如圖6所示。

3.2 串口屏各功能界面設(shè)計(jì)

3.2.1 智能導(dǎo)診

此功能提供智能化導(dǎo)診服務(wù)，界面顯示不同患病類型的就診流程及相應(yīng)就診科室，對(duì)患者進(jìn)行指引，幫助患者了解病癥和就醫(yī)步驟，極大地減少了就診時(shí)間，其整體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3.2.2 智能指引

此功能可為患者提供診室的位置信息，機(jī)器人自動(dòng)指引路線[10]。界面有“是否需要指引？”選項(xiàng)，使用者可以根據(jù)自身需求進(jìn)行選擇，可同時(shí)選擇不同科室，界面上會(huì)展示不同科室對(duì)應(yīng)的樓層平面圖，便于使用者找到對(duì)應(yīng)科室的位置，其整體設(shè)計(jì)的架構(gòu)流程如圖8所示。

3.2.3 常規(guī)檢查

此選項(xiàng)提供醫(yī)院所需最簡(jiǎn)單的常規(guī)檢查流程，以減少病患排隊(duì)等待時(shí)間。使用者通過接觸機(jī)器人頭部的體溫傳感器和心率血氧傳感器，智能化測(cè)量體溫和心率血氧數(shù)據(jù)，界面將會(huì)顯示測(cè)試結(jié)果并對(duì)異常情況進(jìn)行分析。其整體設(shè)計(jì)架構(gòu)流程如圖9所示。

3.2.4 預(yù)約掛號(hào)

此功能提供了預(yù)約掛號(hào)服務(wù)，使用者可直接選擇預(yù)約掛號(hào)選項(xiàng)，對(duì)就診時(shí)間、就診類型、就診專家等進(jìn)行自主選擇和填寫，填寫成功后可直接顯示預(yù)約成功，其整體設(shè)計(jì)的架構(gòu)流程如圖10所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 智能化

使用者通過接觸體溫和心率血氧傳感器即可收集相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)并顯示在屏幕上，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，代替人力測(cè)量，可大大節(jié)約時(shí)間。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)有多種傳感器協(xié)同工作，及時(shí)收集有用信息提交給微處理器進(jìn)行處理分析。

4.2 交互性

串口屏可顯示豐富的動(dòng)態(tài)表情，使導(dǎo)診機(jī)器人更加人性化，交互系統(tǒng)的語音識(shí)別模塊和語音播放模塊可對(duì)使用者提出的問題進(jìn)行簡(jiǎn)單回答，并通過播放音樂、笑話等安撫使用者，減弱其消極的情緒。

4.3 自主度

使用者可通過串口屏進(jìn)行自主選擇，查詢就診科室、病房位置、就診流程及路線信息等，信息查詢和預(yù)約掛號(hào)一體化，自主度高，獲取信息方式靈活、快捷。

5 結(jié) 語

本文完成了智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以STM32微處理器為核心，硬件傳感器模塊和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了智能導(dǎo)診、智能指引、常規(guī)檢查、預(yù)約掛號(hào)等功能。并且經(jīng)過多次調(diào)試，機(jī)器人工作穩(wěn)定，可有效解決病患在就醫(yī)過程中滯院時(shí)間長(zhǎng)、尋找科室難等問題，較大程度改善了醫(yī)院的服務(wù)環(huán)境，方便人們就醫(yī)，是醫(yī)院服務(wù)領(lǐng)域一項(xiàng)重要的改革。作品實(shí)物如圖11所示。

隨著人工智能在社會(huì)的不斷應(yīng)用，相信導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域會(huì)有更好地推廣。

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