樊小凱，安朝旭，薛錦茹，葉宏慶

（華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院，河北唐山，063210）

0 引言

隨著新冠疫情的蔓延發(fā)展，全國采用了極為嚴(yán)格的疫情防控措施，特別是針對以醫(yī)院為治療中心的管理，進(jìn)一步強(qiáng)化了對醫(yī)護(hù)人員在規(guī)范化治療過程中的管控力度，導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度成倍增加。智能多功能護(hù)理車能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療用品的自主運(yùn)輸，溫濕度檢測和語音問答等功能，它不僅可以減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，同時降低了在運(yùn)輸過程中被感染的風(fēng)險，具有良好的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)思路

護(hù)理車主要由三部分組成，分別是主控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和識別系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 護(hù)理車總體框架

主控系統(tǒng)采用STM32F4作為主芯片，是一款基于ARM Cortex–M4為內(nèi)核的高性能微控制器，其采用90nm工藝，搭載自適應(yīng)實(shí)時加速器（ART Accelerator?），擁有多重AHB總線矩陣和多通道DMA，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，大大提升了數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，它集成了新的DSP（Digital Signal Processing）和FPU（Float Point Unit）指令，擁有強(qiáng)勁的處理性能，能夠快速進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和控制，提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率，有助于更好的進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

動力系統(tǒng)主要采用大疆EC60和M2006無刷電機(jī)。底盤電機(jī)采用大疆EC60無刷直流電機(jī)，重量僅為612g，可提供1000mN＊m的堵轉(zhuǎn)扭矩，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)450r/min。EC60電機(jī)是適用于輕型底盤的直驅(qū)無刷電機(jī)，能夠?yàn)樽o(hù)理車提供足夠運(yùn)動性能，同時噪音極小，能夠滿足在醫(yī)院等場所作業(yè)時的靜謐性需求。抽屜的控制電機(jī)采用大疆M2006直流無刷減速電機(jī)，其具有控制精度高，輸出功率大，體積小等特性。M2006電機(jī)內(nèi)置轉(zhuǎn)子位置傳感器，可提供精確的位置反饋，同時輸出端最高轉(zhuǎn)速可高達(dá)500rpm，最大持續(xù)輸出功率44W。

識別系統(tǒng)主要包括Intel NUC8i7HVK、USB相機(jī)IMX291、PRLIDAR A1M8激光雷達(dá)、DHT11溫濕度傳感器、M3650A—HA RFID讀寫器、LD3320語音識別模塊和JQ8900–16P語音播報模塊。激光雷達(dá)負(fù)責(zé)采集場景中的激光深度信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)NUC，上位機(jī)通過SLAM算法來完成柵格地圖的建立和護(hù)理車位置姿態(tài)定位，利用A＊算法實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃，并為主控芯片提供指令，完成自主移動和避障功能。語音識別模塊、RFID定位模塊和溫濕度模塊通過串口與主控芯片進(jìn)行信息傳輸，主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷從而完成語音播報、溫濕度顯示等功能。

2 護(hù)理車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)理車整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 護(hù)理車整體結(jié)構(gòu)

■2.1 麥克納姆輪

基于麥克納姆輪巧妙的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)護(hù)理車全方位移動，保證護(hù)理車在狹窄環(huán)境作業(yè)過程中具有良好的通過性[1]。直徑152.4mm，輪寬44mm的超大麥輪，保證了護(hù)理車良好的負(fù)重可靠性，能夠更好的滿足醫(yī)療用品的運(yùn)輸要求。

■2.2 儲物抽屜

儲物部分使用大疆2006電機(jī)驅(qū)動，采用定制件作為電機(jī)支座，兩側(cè)部分采用抽屜滑軌進(jìn)行支撐和固定作用，在減少摩擦力的同時，使電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)抽屜的自由伸縮。

3 護(hù)理車程序設(shè)計(jì)

主要分為四部分，即自主路徑和避障、人臉識別、語音問答、RFID定位。程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)

■3.1 路徑規(guī)劃

（1）ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)：在ROS社區(qū)中有多種算法功能包，用于解決同步定位與建圖問題，比較常見的有：Karto、Gmapping、Hector、Cartographer等 算 法。護(hù)理車使用的是Hector SLAM算法來完成柵格地圖的建立和位置姿態(tài)定位。

（2）建圖部分：Hector SLAM建圖主要有兩個步驟：接收雷達(dá)傳來的激光信息和數(shù)據(jù)匹配[2]。它主要利用高斯牛頓方法來解決掃描匹配的問題，通過最小二乘法匹配掃描點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要里程計(jì)數(shù)據(jù)，只根據(jù)激光信息便可構(gòu)建地圖，對地面的平整性沒有要求。

（3）路徑規(guī)劃部分：路徑規(guī)劃分為全局和局部路徑規(guī)劃[3]。實(shí)際效果如圖4所示。護(hù)理車使用A＊算法進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，這是一種基于Dijkstra算法優(yōu)化后的擴(kuò)展，是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法。護(hù)理車局部路徑規(guī)劃采用動態(tài)窗口算法（DWA）搜索避障路線，主要原理是在速度空間（v,w）中采樣多組速度，并模擬這些速度在一定時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡，再通過一個評價函數(shù)對這些軌跡打分，最優(yōu)的速度被選擇出來發(fā)送給主控芯片，驅(qū)動護(hù)理車運(yùn)動，避免與障礙物發(fā)生碰撞[4]。

圖4 路徑規(guī)劃

■3.2 人臉識別

護(hù)理車通過labeling、labeme、CoCo等軟件制作醫(yī)護(hù)人員人臉識別數(shù)據(jù)集，上傳至上位機(jī)NUC中，使用醫(yī)護(hù)人員人臉識別數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練YOLOV5，并保存相應(yīng)訓(xùn)練好的權(quán)重模型，使得YOLOV5能夠?qū)崟r準(zhǔn)確檢測圖像中的人臉并框出人臉位置，通過YOLOV5框出的人臉圖像輸入到FaceNet中生成人臉特征，同時通過FaceNet來對制作的人臉數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征提取并保存到相應(yīng)的人臉特征數(shù)據(jù)庫。利用已經(jīng)保存的人臉特征數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行SVM分類器訓(xùn)練，并在訓(xùn)練完成后保存為pkl文件，最后在主程序中調(diào)用訓(xùn)練好的模型以及pkl文件來進(jìn)行人臉檢測和人臉識別，當(dāng)成功識別對象為醫(yī)護(hù)人員時，上位機(jī)NUC發(fā)送指令至主控芯片，主控芯片控制抽屜電機(jī)打開抽屜，醫(yī)護(hù)人員即可取出所需藥品。

■3.3 語音問答

語音識別技術(shù)是讓機(jī)器通過識別把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后進(jìn)行降噪處理，進(jìn)而通過理解轉(zhuǎn)變?yōu)橹噶畹募夹g(shù)。語音識別系統(tǒng)通常由聲學(xué)識別模型和語言理解模型兩部分組成，分別對應(yīng)語音到音節(jié)和音節(jié)到字的計(jì)算。一個連續(xù)語音識別系統(tǒng)大致包含了特征提取、聲學(xué)模型、語言模型和解碼器四個部分。特征提取是指在去除語音信號的冗余信息后，對語音本質(zhì)特征的信息進(jìn)行處理。聲學(xué)模型是通過對聲音進(jìn)行建模，在識別時將待識別的語音特征參數(shù)與聲學(xué)模型進(jìn)行匹配，即可得到識別結(jié)果。語言模型是用來計(jì)算句子的語法是否正確，其能夠有效的結(jié)合漢語語法和語義的知識，描述詞之間的內(nèi)在關(guān)系，從而提高識別率，減少搜索范圍。解碼器是指語音技術(shù)中的識別過程，在建立識別網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)搜索算法以最大概率輸出該語音信號對應(yīng)的詞條。

護(hù)理車語音識別模塊內(nèi)預(yù)設(shè)的詞條主要分為位置信息和藥品儲存信息，模塊會根據(jù)識別到的內(nèi)容向主控芯片發(fā)送不同的標(biāo)志位，主控芯片在判斷后，拉高或拉低連接語音播報模塊的引腳的電平，就可發(fā)出提前用電腦合成的回答指令。

■3.4 RFID定位

RFID技術(shù)是一種無線射頻識別技術(shù)，其原理為閱讀器與電子標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，來識別目標(biāo)，進(jìn)而獲取目標(biāo)信息。RFID定位系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、RFID中間件和應(yīng)用軟件系統(tǒng)四部分構(gòu)成。在每個病房門口安裝有該病房的卡片，能夠發(fā)出對應(yīng)的射頻信號，護(hù)理車裝有RFID閱讀器能夠讀取病房電子標(biāo)簽以獲取該病房的基本信息，之后通過無線通信網(wǎng)絡(luò)反饋至RFID中間件層，由中間層讀取病房相關(guān)信息，之后將對應(yīng)信息傳遞至護(hù)理車主控芯片，由主控芯片驅(qū)動抽屜電機(jī)打開抽屜，即可取出該病房所需藥品。

4 結(jié)束語

在目前醫(yī)院臨床工作中使用較多的護(hù)理車，結(jié)構(gòu)簡單且功能單一，在運(yùn)輸大量醫(yī)用品時由于慣性較大，操作難度增加，增加了醫(yī)護(hù)人員工作強(qiáng)度。

智能多功能護(hù)理車是一個集激光雷達(dá)、溫濕度傳感器和語音模塊等硬件于一體的綜合設(shè)備，將傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)和自動化技術(shù)等融合在一起。實(shí)現(xiàn)了自主路徑規(guī)劃、溫濕度檢測和語音問答等功能，在有效解決上述問題的同時豐富了產(chǎn)品功能，具有良好的發(fā)展前景[5]。