宋倩倩，李曉彤

（泰山學(xué)院，山東泰安，271000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步與快速發(fā)展,在現(xiàn)代科學(xué)進(jìn)步技術(shù)的不斷推動(dòng)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(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生,為我國(guó)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(jī)器人大多存在功能單一的特點(diǎn)，容易造成醫(yī)院內(nèi)采用多種機(jī)器人的情形，在人流較多的醫(yī)院不利于開(kāi)展工作。以新型冠狀病毒肺炎來(lái)說(shuō)，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(diǎn)，醫(yī)護(hù)人員不得不全身武裝對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)測(cè)治療，不僅加大醫(yī)護(hù)人員的自身負(fù)擔(dān)，也增大了醫(yī)護(hù)人員的傳染力度。

本文移動(dòng)式醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人最主要的體現(xiàn)便是多功能化，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，既可代替醫(yī)護(hù)人員進(jìn)入隔離區(qū)監(jiān)測(cè)病人體溫詢問(wèn)病患相關(guān)身體情況，同時(shí)也可完成藥品食物運(yùn)送并進(jìn)行消毒，可降低醫(yī)護(hù)人員進(jìn)入隔離區(qū)的次數(shù)，減小受感染概率。

1 移動(dòng)式醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人工作原理

機(jī)器人采用多傳感器融合技術(shù)，通過(guò)單片機(jī)總體控制紅外測(cè)溫，行駛與避讓，語(yǔ)音識(shí)別與交流，自動(dòng)回充四個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)云端及無(wú)線對(duì)講原理實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

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

圖1 總體設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)為中心控制處理器，在按規(guī)劃路線行駛到指定位置時(shí)，超聲測(cè)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(cè)溫傳感器實(shí)時(shí)作用，在進(jìn)行播報(bào)與交流時(shí)，語(yǔ)音互動(dòng)模塊調(diào)動(dòng)大數(shù)據(jù)云端，將相關(guān)指令反饋給中心控制器進(jìn)行播報(bào)。多傳感器工作互相配合，共同控制完成相應(yīng)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其功能。具體功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 硬件實(shí)現(xiàn)構(gòu)成圖

■2.1 紅外感應(yīng)測(cè)溫模塊

測(cè)溫儀表部件主要采用新型無(wú)接觸式紅外體溫溫度測(cè)量,紅外線光學(xué)測(cè)溫儀(infrared thermometer)由紅外光學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)、紅外射線探測(cè)器、電信號(hào)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(cè)物體在溫度高于絕對(duì)零度 (-273℃) 時(shí)都會(huì)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(cè)物體溫度值的數(shù)據(jù)，所以采用熱敏感探測(cè)器，即可在獲得最小溫度誤差以及外界環(huán)境溫度對(duì)于傳感器測(cè)量的影響而得到被測(cè)者的體感溫度。溫度會(huì)由服務(wù)器實(shí)時(shí)上傳云端并由后臺(tái)醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到體溫變化曲線，從而對(duì)病人做出下一步治療判斷。

圖3 紅外測(cè)溫原理圖

■2.2 行駛與避讓功能模塊

超聲波檢測(cè)技術(shù)具有能量指向性強(qiáng)、能量消耗慢、能量在化學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且超聲波能量檢測(cè)技術(shù)往往比較快速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單。易于控制實(shí)時(shí)定位，因此有必要使用航空超聲技術(shù)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。超聲波定時(shí)發(fā)射器同時(shí)向每個(gè)用戶身體的兩個(gè)方向發(fā)射超聲波。同時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)計(jì)時(shí)。當(dāng)遇到特定障礙物時(shí)，它會(huì)自動(dòng)返回并暫時(shí)停止啟動(dòng)計(jì)時(shí)。傳感器通過(guò)接收檢測(cè)到超聲返回來(lái)的信號(hào)后即可計(jì)算出從障礙物到移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離,測(cè)距結(jié)束后傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)使機(jī)器人完成避讓任務(wù)。

運(yùn)動(dòng)部件采用四輪雙驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋路以及主控尋路的功能。對(duì)于特殊病人，該機(jī)器人可以采用主動(dòng)遙控的方式，通過(guò)前置的攝像頭，操控人員可以非常方便的遙控機(jī)器人與病人進(jìn)行交互。對(duì)于一般的醫(yī)療需求，其可以設(shè)置自動(dòng)模式，通過(guò)超聲波雷達(dá)裝置自動(dòng)尋路，運(yùn)放可選用NE5532，也可以直接選用CX20106。

■2.3 自動(dòng)回充模塊

供電儲(chǔ)能電池部件主要采用儲(chǔ)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(hù)性和相對(duì)短的電池充電持續(xù)時(shí)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(jī)器人開(kāi)關(guān)采用直流開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行供電,開(kāi)關(guān)電源一般由控制脈沖頻率寬度信號(hào)調(diào)制、電路控制和控制開(kāi)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(diǎn)。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(jí)，輸出能量電壓等級(jí)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(shí)現(xiàn)

機(jī)器人開(kāi)始工作后，不斷通過(guò)紅外測(cè)溫模塊測(cè)量周圍用戶體溫，當(dāng)發(fā)現(xiàn)體溫異常用戶時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音提醒。同時(shí)，會(huì)對(duì)電量進(jìn)行判定，當(dāng)機(jī)器人判斷電量不足時(shí)，會(huì)發(fā)送回充信號(hào)并控制運(yùn)動(dòng)部件返回充電樁進(jìn)行充電。具體功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 軟件實(shí)現(xiàn)原理圖

■3.1 紅外感應(yīng)測(cè)溫設(shè)計(jì)

紅外加熱輻射溫度測(cè)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(gè)輻射原理設(shè)計(jì)制成的紅外溫度輻射測(cè)量專用儀表,也叫紅外輻射溫度儀表。紅外線測(cè)溫儀測(cè)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(guò)程；若體溫異常，數(shù)據(jù)反饋至單片機(jī)調(diào)動(dòng)播報(bào)器進(jìn)行播報(bào)，完成警報(bào)任務(wù)。

■3.2 行駛與避讓功能實(shí)現(xiàn)

在超聲波定時(shí)發(fā)射器向每個(gè)用戶身體的兩個(gè)方向發(fā)射超聲波的時(shí)刻，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)計(jì)時(shí)。當(dāng)遇到特定障礙物時(shí)，它會(huì)自動(dòng)返回并暫時(shí)停止啟動(dòng)計(jì)時(shí)。傳感器通過(guò)接收檢測(cè)到超聲返回來(lái)的信號(hào)后即可計(jì)算出從障礙物到移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離，測(cè)距離的公式定義為:l=c×t，其中：l為超聲所計(jì)算測(cè)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(yùn)動(dòng)速度，t為超聲計(jì)時(shí)器所計(jì)算測(cè)得的持續(xù)時(shí)間。

■3.3 語(yǔ)音識(shí)別與交流

通過(guò)室內(nèi)信息數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)，其可代替醫(yī)生進(jìn)入隔離區(qū)問(wèn)診，識(shí)別用戶需求并進(jìn)行語(yǔ)音回復(fù)，同時(shí)用戶還可選擇對(duì)講模式與醫(yī)生交流。

識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)是將框架識(shí)別為一種狀態(tài)，狀態(tài)組合成音素，音素組合成詞，通過(guò) “聲學(xué)模型” 中的參數(shù)得到框架和狀態(tài)對(duì)應(yīng)的概率。同時(shí)，借助UCloud快杰云服務(wù)器構(gòu)建一個(gè)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(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)，直接將一個(gè)詞的詞級(jí)語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為音素詞級(jí)網(wǎng)絡(luò)，然后直接擴(kuò)展為狀態(tài)語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)。語(yǔ)音狀態(tài)識(shí)別這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是手機(jī)在一個(gè)狀態(tài)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)搜索一條最佳識(shí)別路徑,語(yǔ)音識(shí)別對(duì)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(dòng)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(gè)全局最優(yōu)化的路徑。

在機(jī)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(shí)現(xiàn)智能手機(jī)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(hù)人員與病患可以通過(guò)機(jī)器人屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，家屬也可以采用線上方式主動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)，與患者交流，照顧患者。對(duì)講機(jī)不受網(wǎng)絡(luò)限制不依靠第三方設(shè)備，對(duì)講模式的實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人在特殊情況下的通信更加可靠。為減小惡劣環(huán)境對(duì)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(qiáng)的抗干擾能力，能夠更快的傳回病患此時(shí)的狀態(tài)及各項(xiàng)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(dá)2.9GHz并支持多達(dá)37種配置規(guī)格，比SATA-SSD更低的延遲可以使機(jī)器人更好地完成回避功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人模塊化，既方便機(jī)器人的組裝與日常維護(hù)，也方便日后機(jī)器人的組件升級(jí)更新。該醫(yī)療機(jī)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(hù)，又可及時(shí)反饋緊急情況，縮短救治反應(yīng)時(shí)間。由于采用模塊化設(shè)計(jì)，與集成設(shè)計(jì)相比，具有更大的開(kāi)發(fā)空間和維護(hù)效率，節(jié)省了資金。