倪秉軒 袁鵬凱 張慶旭 陳學(xué)琪

摘要：在醫(yī)藥，食品，3C行業(yè)存在著大量輕小物料分揀存取的作業(yè)環(huán)境。為避免傳統(tǒng)用人方式中效率低下，用工難，成本高等問題，團(tuán)隊(duì)主要針對(duì)于醫(yī)療用品及藥品分揀和發(fā)放設(shè)計(jì)出醫(yī)藥品智能分發(fā)機(jī)器人，機(jī)器人以STM32F103為主控芯片，運(yùn)用機(jī)械臂在配合視覺識(shí)別的基礎(chǔ)上完成傳送帶上雜亂無章產(chǎn)品的快速分揀，搬運(yùn)等環(huán)節(jié)，替代現(xiàn)場人工大量重復(fù)性勞動(dòng)。設(shè)備端的MCU內(nèi)置藍(lán)牙串口和WiFi模塊，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：STM32;視覺識(shí)別;機(jī)器人

1 引言

當(dāng)今社會(huì)就醫(yī)面臨的突出矛盾和困難主要為“看病難”，由于優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源相對(duì)于居民需求的不足，造成患者去大醫(yī)院看專家“難”。突出表現(xiàn)為許多人看小傷小病也涌到大醫(yī)院，大醫(yī)院人滿為患。這形成了就醫(yī)等待時(shí)間長，看病困難的局面。在醫(yī)院藥房取藥時(shí)，人工操作需要醫(yī)護(hù)人員大量的時(shí)間及精力用于對(duì)患者的藥物藥品的分揀與發(fā)放。為提升基層醫(yī)療資源配置和服務(wù)能力，降低群眾就醫(yī)成本;規(guī)范醫(yī)療用品及藥品的分揀和發(fā)放，合理運(yùn)用醫(yī)院人力資源;減少人員密集接觸，減少患者在醫(yī)院停留時(shí)間。設(shè)計(jì)基于視覺識(shí)別技術(shù)的醫(yī)藥品智能機(jī)器人，應(yīng)用基于視覺識(shí)別技術(shù)的醫(yī)藥品智能識(shí)別方法，從減少醫(yī)療物資存取時(shí)間為切入點(diǎn)，解放醫(yī)院工作者勞動(dòng)力，提供更多靈活性、提升成本效益，進(jìn)而改善就醫(yī)環(huán)境、就醫(yī)效率，幫助改善“看病難”現(xiàn)狀。

設(shè)計(jì)也適用于小型快遞網(wǎng)點(diǎn)、倉庫等輕小物料分揀存取的工作環(huán)境?？山鉀Q生活中的難題，為大眾帶來便利，并結(jié)合新常態(tài)下產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，順應(yīng)當(dāng)今產(chǎn)業(yè)發(fā)展由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變的洪流趨勢(shì)，為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人存在的意義就是為人服務(wù)，其具備工具、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)屬性。隨著運(yùn)行、使用成本高等難題的解決，人工智能與機(jī)器人的融合正成為新趨勢(shì)。然而國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展包括研發(fā)試驗(yàn)、機(jī)器人本體和零部件產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)集成技術(shù)等每一個(gè)產(chǎn)業(yè)從整體來看，產(chǎn)品以低端為主，我國大部分機(jī)器人企業(yè)目前集中在集成領(lǐng)域，加工組裝企業(yè)占多數(shù)，國產(chǎn)六軸工業(yè)機(jī)器人占全國工業(yè)機(jī)器人新裝機(jī)量不足10%;在核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高可靠性基礎(chǔ)功能部件、系統(tǒng)工藝應(yīng)用解決方案以及主機(jī)批量生產(chǎn)等方面，距發(fā)達(dá)國家還有相當(dāng)大的差距。

醫(yī)藥品智能分發(fā)機(jī)器人項(xiàng)目的研究根據(jù)市面上的分揀機(jī)器人為對(duì)照，從造價(jià)及操作方式等方面進(jìn)行改進(jìn)，我們的醫(yī)藥品智能分揀系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將藥物識(shí)別并將其存放或取出于準(zhǔn)確位置，控制系統(tǒng)通過選擇基礎(chǔ)單元元件來完成系統(tǒng)程序的初始化，機(jī)械關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)、網(wǎng)上實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，出色地完成操作人員指定任務(wù)要求，其本身有價(jià)格低廉、性價(jià)比高、體積小、易操作、普適性強(qiáng)等特點(diǎn)。

智能醫(yī)藥分揀機(jī)器人在軟件和硬件上均采用模塊化設(shè)計(jì)，根本是由主控模塊、圖像采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、機(jī)械臂模塊組成。

3.硬件設(shè)計(jì)與完成

3.1核心控制模塊

STM32F103 ARM最小系統(tǒng)：STM32F103芯片是由ST（意法半導(dǎo)體）公司推出的一種ARM芯片，其內(nèi)核是ARM 32位的Cortex-M3，其內(nèi)核最高72MHz工作頻率。閃存程序存儲(chǔ)器從16K到512K字節(jié)的，SRAM最大64K字節(jié)。STM32F103 ARM最小系統(tǒng)主要是由晶振電路、復(fù)位電路和電源電路組成。

在使用STM32和機(jī)械臂通訊時(shí)，其實(shí)就是控制舵機(jī)，給舵機(jī)輸入PWM信號(hào)，來控制其旋轉(zhuǎn)到不同的角度。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM 信號(hào)是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加載到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。所以只要帶寬足夠，我們就可以使用PWM進(jìn)行編碼。想要輸出PWM信號(hào)就得用上TIM定時(shí)器，而基本定時(shí)器沒有PWM信號(hào)的輸出功能，所以只能選用通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器。以通用定時(shí)器為切入口，除了基本的定時(shí)器的功能外，還具有測量輸入信號(hào)的脈沖長度（ 輸入捕獲） 或者產(chǎn)生輸出波形（ 輸出比較和PWM），通用定時(shí)器的時(shí)鐘來源有：內(nèi)部時(shí)鐘（CK_INT）、外部時(shí)鐘模式1：外部輸入腳（TIx）、外部時(shí)鐘模式2：外部觸發(fā)輸入（ETR）、內(nèi)部觸發(fā)輸入（ITRx）：也就是使用一個(gè)定時(shí)器作為另一個(gè)定時(shí)器的預(yù)分頻器。我們可以通過“‘開啟該外設(shè)的時(shí)鐘’、‘配置初始化結(jié)構(gòu)體（如果有對(duì)應(yīng)的GPIO還需要初始化該GPIO）’、‘調(diào)用結(jié)構(gòu)體初始化函數(shù)’”的方式輸出PWM信號(hào)編碼所需模擬值達(dá)到控制機(jī)械臂的目的。

3.2視覺識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)用視覺識(shí)別技術(shù)識(shí)別各種已有藥物藥品，根據(jù)指令通過機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)分析及分類。視覺識(shí)別采用MaixBit開發(fā)板，采用的芯片是k210。它的內(nèi)核主要采用的是RISC-V Dual Core 64bitwith FPU，其主頻為400MHz。靜態(tài)處理器選用的是內(nèi)置的8MByte。在圖像識(shí)別模塊，用到的是QVGA@60fps/VGA@30fps添加語音模塊，語音識(shí)別用到的是麥克風(fēng)陣列（8mics）?？梢酝ㄟ^視覺攝像頭拍攝到藥物藥品的圖像，識(shí)別后通過信息處理，再通過通信口進(jìn)行視覺傳感器和STM32之間的通信，將信息傳輸給STM32。通過設(shè)置指令進(jìn)行通訊，再通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，接傳輸指令后STM32極速進(jìn)行內(nèi)部識(shí)別判斷，準(zhǔn)確對(duì)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過 STM32與機(jī)械臂通信，將正確的所需的藥物藥品進(jìn)行分揀拾取。藥物藥品可以根據(jù)種類存放在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間或根據(jù)處方將藥物藥品發(fā)放到患者手中。還可以用視覺系統(tǒng)識(shí)別醫(yī)療用品，如手術(shù)刀、紗布、剪子等。

4.視覺識(shí)別算法設(shè)計(jì)

4.1識(shí)別底層算法

每一個(gè)底層單元也可以被稱作是Logistic回歸模型。當(dāng)將多個(gè)單元組合起來并具有分層結(jié)構(gòu)時(shí)，就形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。如圖1展示了一個(gè)具有一個(gè)隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在圖像處理時(shí)，往往把圖像表示為像素的向量，比如一個(gè)1000×1000的圖像，可以表示為一個(gè)1000000的向量。在上一節(jié)中提到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，如果隱含層數(shù)目與輸入層一樣，即也是1000000時(shí)，那么輸入層到隱含層的參數(shù)數(shù)據(jù)為1000000×1000000=10^12。所以圖像處理要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必先減少參數(shù)加快速度。

在局部連接中，每個(gè)神經(jīng)元都對(duì)應(yīng)100個(gè)參數(shù)，一共1000000個(gè)神經(jīng)元，如果這1000000個(gè)神經(jīng)元的100個(gè)參數(shù)都是相等的，那么參數(shù)數(shù)目就變?yōu)?00。將這100個(gè)參數(shù)（也就是卷積操作）看成是提取特征的方式，該方式與位置無關(guān)。這其中隱含的原理則是：圖像的一部分的統(tǒng)計(jì)特性與其他部分是一樣的。所以對(duì)于這個(gè)圖像上的所有位置，都能使用同樣的學(xué)習(xí)特征。

4.2 控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心處理器選擇的是STM32的F103系列芯片。視覺識(shí)別模塊和STM32通信時(shí)，收發(fā)控制器根據(jù)寄存器配置，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移部分的移位寄存器進(jìn)行控制。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核或DMA外設(shè)把數(shù)據(jù)從內(nèi)存（變量）寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TDR后，發(fā)送控制器將自動(dòng)把數(shù)據(jù)從TDR加載到發(fā)送移位寄存器，然后通過串口線TX，把數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送出去。對(duì)于K210芯片的訓(xùn)練，使用MixHub平臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練，需要做的是目標(biāo)檢測，并給出物體的具體位置信息。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)STM32F103 ARM芯片設(shè)計(jì)醫(yī)藥品智能識(shí)別控制系統(tǒng)，研究和應(yīng)用基于視覺識(shí)別技術(shù)的醫(yī)藥品智能識(shí)別方法。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能使用相應(yīng)功能模塊電路，安裝調(diào)試方便。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，搬運(yùn)物品方便快捷。機(jī)械臂自動(dòng)分揀系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地解放人的雙手，機(jī)械裝置能夠替代人員去從事絕大部分繁重，重復(fù)性勞動(dòng)，在保證貨物質(zhì)量的情況下，大幅度提高工作效率。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)蒸蒸日上的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)理論在面向?qū)ο筮^程中得到的實(shí)踐，機(jī)械臂操作系統(tǒng)技術(shù)方面的研究也得到了不斷的創(chuàng)新，并將為社會(huì)創(chuàng)造巨大的財(cái)富。

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基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“醫(yī)藥品智能分發(fā)機(jī)器人”（項(xiàng)目號(hào)：202110066024）

作者簡介：倪秉軒（2001-），男，本科生，自動(dòng)化（電氣技術(shù)教育方向）專業(yè)。