蔣昕宇 俞曉丹 劉湘 檀文杰 陳奕廷 鄧雨晴

摘要：現(xiàn)如今，在人口老齡化的大背景下，服務(wù)機(jī)器人的研究和發(fā)展成為熱點(diǎn)。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重要前沿領(lǐng)域，融合了人工智能、傳感、網(wǎng)絡(luò)、視覺(jué)等創(chuàng)新技術(shù)，為人類生活提供多種服務(wù)，幫助人類解決實(shí)際生活中的困難，提高了人類的生活質(zhì)量。文章從醫(yī)療服務(wù)、醫(yī)療技術(shù)以及醫(yī)療效率3個(gè)方面入手，針對(duì)現(xiàn)在的醫(yī)務(wù)行情，旨在打造一款基于機(jī)器視覺(jué)的智能型機(jī)器人，緩解人口老齡化帶來(lái)的社會(huì)壓力。

關(guān)鍵詞：人工智能；服務(wù)機(jī)器人；機(jī)器視覺(jué)

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

中國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，隨著生育率的下降和醫(yī)療條件的改善。截至2023年年底，中國(guó)65歲及以上的老齡人口數(shù)量約為2.16億，約占全國(guó)人口的15.4%，中國(guó)人口老齡化的發(fā)展速度還在明顯加快。據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到2030年，中國(guó)65歲及以上人口將達(dá)到4億人，約占全國(guó)人口的28%。人口老齡化現(xiàn)象的加劇對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療保障等方面帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

1 機(jī)器人系統(tǒng)的研究背景

隨著年齡的增長(zhǎng)，老年人的免疫力會(huì)大不如前，相較于其他年齡人群，更容易患上疑難雜癥。而老年人在治療過(guò)程中，對(duì)藥物的需求量較大。隨著時(shí)間的推移，醫(yī)療資源的供不應(yīng)求也將成為一個(gè)重要問(wèn)題。

研究組針對(duì)這一需求收集資料并展開(kāi)調(diào)研。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)編程和智能機(jī)器人早已滲透到醫(yī)療領(lǐng)域中，機(jī)器視覺(jué)這一技術(shù)也隨著市場(chǎng)需求的增大不斷完善發(fā)展?；跈C(jī)器視覺(jué)技術(shù)，研究組設(shè)計(jì)了一款醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人。相較于傳統(tǒng)機(jī)器人，其使用了通用輸入/輸出口（General Purpose Input Output，GPIO），促進(jìn)多個(gè)硬件之間的連接實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確地抓取和行動(dòng)、數(shù)據(jù)化的圖像識(shí)別以及智能避讓等一系列動(dòng)作。研究?jī)?nèi)容希望為提高醫(yī)療效率、緩解資源短缺問(wèn)題、提升老年人的生活質(zhì)量和安全性做出貢獻(xiàn)。隨著該項(xiàng)目的進(jìn)步、應(yīng)用和推廣，所設(shè)計(jì)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人有望在老齡化社會(huì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

2 機(jī)器人系統(tǒng)的研究意義

通過(guò)引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了能夠靈活執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)，不僅能大幅減輕醫(yī)務(wù)人員的工作壓力，還提高了醫(yī)療效率。另外，為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)的高精準(zhǔn)度，研究組通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物的精準(zhǔn)辨識(shí)和抓取，確保藥物安全送達(dá)指定位置；在機(jī)器人小車(chē)的設(shè)計(jì)中引入了先進(jìn)的安全測(cè)試系統(tǒng)，包括雷達(dá)技術(shù)、紅外線探測(cè)等，以檢測(cè)和規(guī)避潛在的障礙物。這一系列的操作將確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中適應(yīng)各種環(huán)境，提高整個(gè)醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)的效率和安全性。

3 軟硬件共行服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)意義

基于上述背景，針對(duì)當(dāng)前的環(huán)境，研究組運(yùn)用一種軟硬件共行的設(shè)計(jì)思路以及創(chuàng)新理念，使基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好地服務(wù)于大眾。

4 基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的智能醫(yī)療機(jī)器人利用樹(shù)莓派視覺(jué)小車(chē)C5的圖像識(shí)別功能，設(shè)計(jì)醫(yī)療藥品的圖像庫(kù)，通過(guò)攝像頭拍攝并處理圖像的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了藥品的自動(dòng)識(shí)別、定位以及分類^[1]。在硬件部分，智能機(jī)器人主要包括樹(shù)莓派控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊和電源模塊。樹(shù)莓派控制器負(fù)責(zé)接收指令并控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊。傳感器模塊中的感知模板和控制模板起著至關(guān)重要的作用。感知模板通過(guò)多種傳感器來(lái)感知環(huán)境，包括紅外線傳感器、超聲波傳感器、攝像頭和麥克風(fēng)等。收集和處理感知模塊所得到的數(shù)據(jù)信息，智能機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其所處環(huán)境的自主感知。控制模板主要是根據(jù)控制模板所提供的一些數(shù)據(jù)信息，通過(guò)控制電機(jī)和燈光等組成的執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制、轉(zhuǎn)向控制和燈光控制。

為了提高設(shè)備的精度，研究組設(shè)計(jì)了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的電路。小車(chē)的電路設(shè)計(jì)主要包括電源管理、傳感器接口的設(shè)計(jì)、執(zhí)行器控制和通信接口等部分。樹(shù)莓派板載GPIO提供了以電平信號(hào)為基礎(chǔ)的輸入和輸出接口，使用樹(shù)莓派適配板將這些接口映射到通用接口上，即可完成與各個(gè)硬件的連接。

軟件部分是智能機(jī)器人控制的核心，也是該項(xiàng)目的研究重點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)、決策和控制執(zhí)行器。研究組使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)樹(shù)莓派的程序，利用GPIO庫(kù)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊^[2]，通過(guò)讀取傳感器的數(shù)據(jù)，利用程序輸出結(jié)果判斷小車(chē)當(dāng)前的狀態(tài)，比如在賽道上是前進(jìn)還是后退，是否有偏離的情況發(fā)生，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法對(duì)小車(chē)進(jìn)行有效的控制。軟件部分的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)有利于小車(chē)的全面及穩(wěn)定運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)。

5 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

機(jī)械臂包括基座、臂端、關(guān)節(jié)、夾爪等?；菣C(jī)械臂的支撐結(jié)構(gòu)，臂端是機(jī)械臂上不同長(zhǎng)度的連接桿，關(guān)節(jié)是連接臂端的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾爪用于抓取和放置物體。機(jī)械臂通過(guò)控制各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和臂端的伸縮實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)作。在本文設(shè)計(jì)中，機(jī)械臂可以根據(jù)目標(biāo)物體的坐標(biāo)抓取物體，確定末端執(zhí)行器的位置和方向，運(yùn)用所設(shè)計(jì)的算法計(jì)算每個(gè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的角度。

基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式輔助計(jì)算機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要的力或者力矩^[3]。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)（Inverse Kinematics）是機(jī)器人學(xué)和機(jī)械臂控制中的一個(gè)重要概念。在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)其末端執(zhí)行器在笛卡爾坐標(biāo)系中的期望位置為（x，y，z），且機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其旋轉(zhuǎn)軸相互垂直。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式如下：

[＼begin{align*}＼theta_1 &=＼atan2（y， x） ＼＼theta_2 &=＼atan2（＼sqrt{x^2 y^2} - L_1，z）＼end{align*}]（1）

其中，（＼theta_1）和（＼theta_2）是2個(gè)關(guān)節(jié)的角度，（L_1）是第一個(gè)關(guān)節(jié)到末端執(zhí)行器的長(zhǎng)度。這里使用了（＼atan2）函數(shù)，其返回2個(gè)參數(shù)比值的反正切值，考慮了2個(gè)參數(shù)的正負(fù)號(hào)，從而能夠返回4個(gè)象限的角度。

6 圖像的識(shí)別以及處理設(shè)計(jì)

本文的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的抓取系統(tǒng)通過(guò)樹(shù)莓派視覺(jué)小車(chē)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)主要包括圖像采集、圖像處理、物體識(shí)別與定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等模塊。

（1）圖像采集：該模塊負(fù)責(zé)采集目標(biāo)環(huán)境的圖像信息，這是實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)的基礎(chǔ)；使用多種傳感器如紅外線、超聲波以及高分辨率的攝像頭進(jìn)行圖像采集，保證圖像清晰、穩(wěn)定。

（2）圖像處理：該模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，包括去噪、增強(qiáng)等操作，以提取目標(biāo)物體的特征信息。

（3）物體識(shí)別與定位：該模塊通過(guò)模式識(shí)別等技術(shù)，對(duì)處理后的圖像進(jìn)行目標(biāo)物體的識(shí)別和定位；該模塊通常使用深度學(xué)習(xí)等方法，以提高識(shí)別的準(zhǔn)確率。

（4）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制：該模塊負(fù)責(zé)根據(jù)物體識(shí)別與定位的結(jié)果，生成機(jī)器人的抓取路徑和控制指令；模塊需要考慮機(jī)器人的物理特性和環(huán)境因素，以確保抓取的準(zhǔn)確性和安全性。

7 基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的測(cè)試數(shù)據(jù)

本文通過(guò)5個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行抓取測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容如下：抓取的穩(wěn)定性、躲避障礙、輸送藥物的平穩(wěn)程度、是否到達(dá)指定地點(diǎn)^[4]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，機(jī)器人的各項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容完成度較高，并未出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，總體平均成功率為97.3%。對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人抓取系統(tǒng)的研究，可得到以下結(jié)論。

（1）實(shí)驗(yàn)確定了基于機(jī)器視覺(jué)的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人所用到的各項(xiàng)硬件、相關(guān)程序與重要參數(shù)，所得實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。與傳統(tǒng)智能機(jī)器人相比，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)化處理，深入分析了系統(tǒng)的具體要求，實(shí)現(xiàn)了抓取的準(zhǔn)確性、高效性和安全性，實(shí)用性較高。

（2）針對(duì)各板塊硬件之間的連接，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用GPIO，方便了各硬件之間的連接。

（3）對(duì)于圖像采集與處理，系統(tǒng)的識(shí)別率較好，小車(chē)行進(jìn)較靈活，能有效完成輸入指令，控制各類指標(biāo)在合理范圍內(nèi)^[5]。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了能夠靈活執(zhí)行醫(yī)療任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)，以提高醫(yī)療服務(wù)的整體效率。機(jī)器人能夠快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行特定的操作，減輕醫(yī)務(wù)人員的負(fù)擔(dān)，從而使其專注于更為復(fù)雜和關(guān)鍵的醫(yī)療工作。具體優(yōu)勢(shì)如下：

（1）所設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人可以提高醫(yī)療效率和準(zhǔn)確性；

（2）為了提高精準(zhǔn)醫(yī)療服務(wù)水平，基于視覺(jué)系統(tǒng)的智能機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥物的精準(zhǔn)辨識(shí)和抓取，確保藥物送達(dá)指定位置，這不僅有助于減少藥物分發(fā)的錯(cuò)誤率，還能夠在醫(yī)療服務(wù)中提供更為精準(zhǔn)的操作，提高患者的醫(yī)療體驗(yàn)；

（3）在實(shí)驗(yàn)中，本文引入先進(jìn)的安全測(cè)試系統(tǒng)，如雷達(dá)技術(shù)，以檢測(cè)和規(guī)避潛在的障礙物^[6]，這將確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中能夠適應(yīng)各種環(huán)境，提高整個(gè)醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)的安全性；

（4）項(xiàng)目組致力于解決人口老齡化不斷加重而產(chǎn)生的醫(yī)療服務(wù)中遇到的一些瓶頸問(wèn)題，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和智能控制系統(tǒng)，解決了醫(yī)療服務(wù)中的相關(guān)問(wèn)題，如在繁忙時(shí)段的藥物發(fā)放等。

結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，所設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人在無(wú)人操作下達(dá)成的目標(biāo)準(zhǔn)確度高達(dá)90%。這說(shuō)明機(jī)器人系統(tǒng)的引入能夠有效地減輕醫(yī)務(wù)人員在高強(qiáng)度工作環(huán)境下的工作壓力，提高醫(yī)療服務(wù)的整體水平。

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Design of medical service robot based on machine vision

Jiang? Xinyu， Yu? Xiaodan^*， Liu? Xiang， Tan? Wenjie， Chen? Yiting， Deng? Yuqing

（Nantong Institute of Technology， Nantong 226001， China）

Abstract： Under the background of aging population， the research and development of service robot have become a hot spot at present. As an important frontier field of robot industry， service robot integrates innovative technologies such as artificial intelligence， sensing， network and vision， which provides a variety of services for human life， helps human to solve the difficulties in real life， and improves the quality of human life. This paper starts from three aspects of medical service， medical technology and medical efficiency， aiming at the current medical market， aims to create an intelligent robot based on machine vision to relieve social pressure brought by population aging.

Key words： artificial intelligence; service robot; machine vision