陳康裕，吳燕玲*，宋全軍，李皓

（1.安徽大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，合肥 230601；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 智能機(jī)械研究所，合肥 230031）

0 引言

近年來，中東呼吸綜合征、埃博拉病毒等重大傳染性疾病在世界各地不斷爆發(fā)，目前全球新型冠狀病毒感染肺炎疫情依然形勢嚴(yán)峻。面對大規(guī)模傳染性疾病，傳統(tǒng)的人工巡視護(hù)理需要醫(yī)護(hù)人員長期與病人接觸，承擔(dān)著極高的感染風(fēng)險[1,2]。另一方面，常規(guī)護(hù)理工作勞動強(qiáng)度密集，工作任務(wù)繁重，臨床上容易發(fā)生因巡視不及時或漏巡視護(hù)理等工作失誤，會造成不可預(yù)估的嚴(yán)重醫(yī)療后果。

機(jī)器人化、非接觸式的護(hù)理作業(yè)是疫情防控的有效手段，為此研發(fā)一種用于傳染病房巡視護(hù)理的軌道式懸掛機(jī)器人，用于代替醫(yī)護(hù)人員完成部分巡視護(hù)理工作，減輕人員勞動強(qiáng)度，降低交叉感染風(fēng)險。

1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳染病房巡視護(hù)理機(jī)器人主要有軌道、PC端后臺、STM32H750XB開發(fā)板、電機(jī)驅(qū)動模塊、控制攝像頭、測溫模塊、超聲波避障傳感器等傳感器模塊。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

巡視護(hù)理機(jī)器人采用懸掛式軌道，充分利用病房頂部空間，減少對地面有限空間的占用。為了避免外界環(huán)境中的雜物對機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的干擾，選用中空結(jié)構(gòu)的U形懸掛式軌道?？紤]到病房走廊與各個病房之間的彎道較多，且轉(zhuǎn)彎半徑小，提出了一種獨立滑輪車并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括主動滑輪車和從動滑輪車，每個滑輪車通過底部的軸承可以繞車體360°旋轉(zhuǎn)，可以適應(yīng)變化的軌道。

主動滑輪車采用同步帶傳動以降低噪聲，每個滑輪車都設(shè)計了自適應(yīng)頂緊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，包括與軌道內(nèi)腔頂部接觸的兩個上頂輪、與軌道兩側(cè)壁接觸的四個左右頂輪以及與軌道最底部間隙兩側(cè)壁接觸的前后頂輪，上頂輪和左右頂輪在扭簧作用下一直與軌道滾動接觸，保證了機(jī)器人行走的穩(wěn)定性。通過設(shè)置的獨立滑輪車并聯(lián)機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)頂緊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使得行走機(jī)構(gòu)能通過的導(dǎo)軌轉(zhuǎn)彎半徑小，且轉(zhuǎn)彎的時候保證巡視機(jī)器人運行平穩(wěn)，過彎穩(wěn)定。設(shè)計的機(jī)器人在滿足50kg的載重下，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.5米，遠(yuǎn)超市面已有產(chǎn)品。機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)器人運動流程設(shè)計

機(jī)器人會按既定路線自動巡檢并在每張病床前停留，經(jīng)人臉識別核對病人信息無誤，開始測量該病人的體征狀態(tài)等信息，通過WIFI上傳至后端平臺記錄分析。工作流程如圖3所示。

圖3 傳染病房巡視護(hù)理機(jī)器人工作流程

2.2 機(jī)器人定點?？克惴ㄔO(shè)計

步進(jìn)電機(jī)的功能是把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為固定的角位移，角位移量與接收到的電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)接收到的電脈沖數(shù)成正比[4]。實際應(yīng)用中步進(jìn)電機(jī)啟動和停止時，由于慣性會導(dǎo)致電機(jī)失步或過沖，所以在啟動和停止時必須有加減速控制算法。

本設(shè)計利用SigMoid函數(shù)得到S曲線，其值域是0～1，其定義公式為：

式(1)中，a為函數(shù)傾斜參數(shù)。

當(dāng)a取1，x取[-5,5]，的對應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 SigMoid函數(shù)

將S曲線離散化，得到公式：

式(2)中，vi為各點對應(yīng)的線速度，vp為目標(biāo)線速度，xi為各點對應(yīng)的x值。

步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)的，所以采用了兩個定時器C和P，定時器P作用是發(fā)出脈沖至與門Y輸入端Yp，定時器C以定時器P的脈沖數(shù)作為時鐘源技術(shù)，并輸出控制與門輸入端YC，設(shè)計思路如圖5所示[5]。

圖5 定時器設(shè)計

線速度與轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換公式為：

式(3)中，v為線速度，n為轉(zhuǎn)速，d為輪子的直徑。

聽得心煩，陳頤磊也讓人架起大喇叭，讓幾個留過洋，會日語的軍官對著喇叭對喊：小鬼子，你們聽著，爺爺八十六軍在這里。你們睜大狗眼看看，八十六軍陣地前面，你們丟了多少尸體，他們，就是你們的末日。想進(jìn)攻就放手來吧，86軍八十六軍老少爺們奉陪到底……

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

根據(jù)定時器輸出PWM的頻率公式：

式(5)中，SYSclk為72MHz，PSC為71，ARR取值為0～65535。

假設(shè)線位移是S，則算出所需脈沖數(shù)為：

進(jìn)而得到加速各階段的脈沖數(shù)值，將各階段的脈沖輸出至電機(jī)控制模塊，進(jìn)而平穩(wěn)地控制機(jī)器人行走。并在指定位置加絕對路標(biāo)，每次經(jīng)過路標(biāo)時，對里程寫入絕對脈沖數(shù)以減少誤差。

3 機(jī)器人功能設(shè)計

機(jī)器人主要功能包括巡視護(hù)理、人臉識別、體溫檢測、生命體征監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)識別、記錄和分析、閾值報警和PC端后臺的監(jiān)測與控制。

3.1 機(jī)器人人臉識別

建立一個包含4個卷積層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，下載了近萬張公開數(shù)據(jù)集的人臉圖片用于訓(xùn)練人臉識別模型。為提升人臉識別的準(zhǔn)確率，需要采集病人的一千張面部照片，但出于實際考慮，拍攝一千張照片工作量太大。所以病人入院后會采集面部視頻20s，用程序?qū)?0s視頻分解成一幀一幀的圖片，攝像頭幀率為60fps，理論上可以分解成1200張照片，對這些圖片做預(yù)處理模型。

傳染病房巡視護(hù)理機(jī)器人會自動地走到每個病床前，采集一段病人面部的視頻，系統(tǒng)會把圖片灰化，以降低計算復(fù)雜度，利用分類器識別出哪個區(qū)域為人臉，并截取面部圖片輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加載已經(jīng)訓(xùn)練好的權(quán)重文件來識別待測人臉。

3.2 機(jī)器人體征檢測

首先利用灰度變換將彩色圖像變換為灰度圖像，用中值濾波去除噪聲。因為生命體征監(jiān)測儀屏幕往往是規(guī)整的矩形，長寬比相對固定，色調(diào)紋理相對固定，通過圖像二值化，邊緣檢測和基于色調(diào)的顏色微調(diào)等辦法檢測出原圖中的生命體征監(jiān)測儀屏幕的位置。把檢測到的屏幕裁剪出，為數(shù)字的識別做準(zhǔn)備。

在字符分割時，利用統(tǒng)計水平和豎直方向灰度值的投影法，將字符區(qū)域和字符間隔區(qū)分出來。在字符歸一化階段，對字符圖片設(shè)置統(tǒng)一的尺寸，采用雙線性插值的算法，為防止字符變形在縮放時采用按比例縮放填充背景的方式，制作出統(tǒng)一的模板字符。

用pytorch框架來寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，加載已經(jīng)訓(xùn)練好的權(quán)重，最后對已分割的數(shù)字字符做歸一化處理，再調(diào)用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別。生命體征監(jiān)測儀的識別效果如圖6所示，識別結(jié)果包含病人的心電、指氧飽和度、血壓和呼吸頻率等。

圖6 識別效果圖

采用非接觸式紅外線點陣式體溫檢測模塊，最大測溫距離有60cm，非接觸式地測量病人額頭溫度，避免交叉感染。

根據(jù)新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第八版）的臨床特點，制定了如下正常體征的參數(shù)表格如表1[6]。如果上述體征結(jié)果不在該范圍內(nèi)，會二次檢測，若還是異常會登記數(shù)據(jù)并報警。

表1 新型冠狀病毒肺炎病人正常體征參數(shù)表

3.3 機(jī)器人后臺設(shè)計

采用C++和QT技術(shù)開發(fā)PC端后臺，C++用于實現(xiàn)底層邏輯，QT開發(fā)界面樣式。后臺可以控制機(jī)器人運動、照片拍攝、體溫等體征檢測、查看病人數(shù)據(jù)庫歷史信息等功能。采用TCP協(xié)議與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，病人面部照片、人臉識別結(jié)果、體溫等體征狀態(tài)、傳染病房的溫濕度和機(jī)器人的位置等信息均并通過無線上傳至后端平臺。

4 結(jié)語

通過平臺的軟硬件設(shè)計、搭建、編程和調(diào)試等，設(shè)計一種基于單片機(jī)的懸掛式軌道傳染病房巡視護(hù)理機(jī)器人，具有自主巡視、病房環(huán)境監(jiān)測、人臉識別、患者體征自動化采集、PC端后臺記錄分析病人體征等功能，系統(tǒng)樣機(jī)實物圖如圖7(a)所示，PC端后臺界面如圖7(b)所示。經(jīng)過實驗室驗證，該機(jī)器人能良好可靠地完成巡視護(hù)理工作。

圖7 系統(tǒng)樣機(jī)及后臺界面