智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳曦+楊雅慧+趙嘉麒+吳亞聯(lián)

摘 要：基于目前醫(yī)療服務(wù)的需求，文中設(shè)計了一款用于醫(yī)院智能導(dǎo)診服務(wù)的機(jī)器人。該機(jī)器人融合了STM32硬件平臺、傳感器應(yīng)用、圖形界面設(shè)計、路線規(guī)劃等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)就診流程導(dǎo)診、科室路線指引以及常規(guī)心率體溫數(shù)據(jù)的測量等。文章從系統(tǒng)功能設(shè)計、硬件模塊搭建、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)新點(diǎn)等方面，詳細(xì)描述了整體的設(shè)計方案和開發(fā)過程。實(shí)驗(yàn)和使用表明，該智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人界面顯示清晰，工作運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足人們就醫(yī)過程中的服務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人；流程導(dǎo)診；路線指引；人機(jī)交互

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-04

0 引 言

在《中國制造2025》規(guī)劃中[1]，機(jī)器人與高檔數(shù)控機(jī)床被列為政府需大力推動實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域。人工智能程度的不斷加深和人民生活水平的不斷提高，使人們對醫(yī)療服務(wù)的要求由量變轉(zhuǎn)為質(zhì)變，因此醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人市場前景廣闊[2]。

目前在大型綜合性醫(yī)院，由于專業(yè)分工精細(xì)，一個診療過程所涉及的功能單元往往分布在不同樓宇、不同樓層的不同位置。由于醫(yī)院功能單元布局有調(diào)整、患者對醫(yī)院環(huán)境不熟悉，導(dǎo)致滯院時間較長、診療效率降低，患者滿意度下降。醫(yī)院雖積極設(shè)立導(dǎo)診崗位、建立多媒體導(dǎo)診系統(tǒng)等，但仍存在與患者溝通困難，獲取信息速度較慢、眾多導(dǎo)診崗位需增大人力資源成本等問題。

現(xiàn)如今，借助現(xiàn)代機(jī)器人科技打造的智慧醫(yī)療，是解決目前醫(yī)院就診問題的一大趨勢。本文主要闡述了智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人[3]的設(shè)計方法與實(shí)現(xiàn)過程，在STM32平臺[4]上通過硬件傳感器模塊[5]，與系統(tǒng)軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)診、智能指引[6]等服務(wù)功能，為改善醫(yī)療環(huán)境提供思路。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能分析

我們初步設(shè)計了一款用于醫(yī)院智能導(dǎo)診的服務(wù)型機(jī)器人。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）智能導(dǎo)診：顯示不同患病類型的就診流程及相應(yīng)的就診科室，對患者進(jìn)行指引；

（2）智能指引：患者輸入去往的科室即可顯示目的地位置及對應(yīng)的樓層平面圖，確認(rèn)由機(jī)器人帶領(lǐng)后，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路線指引；

（3）常規(guī)檢查：接觸式傳感器，智能化檢測人體心率血氧、體溫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；

（4）娛樂放松：機(jī)器人外設(shè)顯示屏可顯示多種動態(tài)表情，仿佛機(jī)器人具有人的情感，同時機(jī)器人可進(jìn)行語音識別，對問題進(jìn)行簡單回答，或播放音樂、笑話等；

（5）預(yù)約掛號：可自主預(yù)約就診時間及專家等，簡化掛號流程。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計框圖

結(jié)合醫(yī)療導(dǎo)診服務(wù)的需求分析，本智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人的核心由STM32微處理器、心率血氧傳感器、語音識別模塊等傳感器共同組成。其中，STM32微處理器對各傳感器收集到的數(shù)據(jù)[7]進(jìn)行處理，控制各模塊正常運(yùn)作。通過接觸體溫測量傳感器和心率血氧傳感器模塊獲得體溫和心率血氧數(shù)據(jù)。舵機(jī)用于機(jī)器人的輪子驅(qū)動，保證機(jī)器人正常行走。驅(qū)動模塊用于確保直流電壓下的工作電壓、電流穩(wěn)定。娛樂放松功能主要由語音識別模塊、語音播放模塊、7寸液晶串口屏等構(gòu)成。語音識別模塊收集外界語音信息，將詞匯轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可讀輸入，通過語音播放模塊輸出相應(yīng)的回答語句。7寸串口屏顯示導(dǎo)診機(jī)器人的動態(tài)表情，使機(jī)器人更加人性化、智能化。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 硬件模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 體溫測量模塊

體溫傳感器是能感受體溫并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，通過使用者接觸該傳感器獲取人體體溫，利用溫度傳感器輸出電信號，再將電流信號發(fā)送給STM32控制器進(jìn)行處理。我們使用DS18B20溫度傳感器，該傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，能夠直接讀出被測溫度并可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。

電路原理如圖2所示。

2.2 心率血氧測量模塊

心率血氧傳感器模塊利用特定波長紅外線對血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積變化敏感的特性，檢測由心臟跳動引起的指尖血液變化，經(jīng)過信號放大、調(diào)整等電路處理。其中SON1303輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計算脈率，SON7015輸出反映指尖血容積變化的完整脈搏波電壓信號，將測量的心率血氧數(shù)據(jù)發(fā)給STM32處理器進(jìn)行處理。我們采用MAX30102心率血氧模塊，便于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量。

電路原理如圖3所示。

2.3 語音識別模塊

語音識別模塊是一種基于嵌入式語音識別技術(shù)[8]的模塊，可通過串口輸出識別結(jié)果，主要包括語音識別芯片和一些其他附屬電路，能夠方便地與主控芯片通信，實(shí)現(xiàn)語音交互。

本系統(tǒng)采用了ICRoute公司生產(chǎn)的LD3320語音控制芯片來實(shí)現(xiàn)語音的簡單識別。該模塊利用非特定人語音識別技術(shù)，用戶無需進(jìn)行錄音訓(xùn)練；具有可動態(tài)編輯的識別關(guān)鍵詞列表，只需把識別的關(guān)鍵詞以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可在下次識別中立即生效；支持用戶自由編輯50條關(guān)鍵詞，在同一時刻，可在50條關(guān)鍵詞中進(jìn)行識別，終端用戶可根據(jù)場景需要，隨時編輯和更新這50條關(guān)鍵詞的內(nèi)容。電路原理如圖4所示。

2.4 語音播放模塊

本模塊使用LM102語音播放模塊，該模塊具備兩組接口，支持音響功放連接，價格低廉，工作穩(wěn)定。

其電路原理如圖5所示。

2.5 運(yùn)動控制模塊

本模塊主要通過微處理器輸出的PWM波控制舵機(jī)的信號線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制[9]。舵機(jī)信號線接收來自主控板的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計相連，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而使目標(biāo)停止。在該系統(tǒng)中，舵機(jī)驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動，驅(qū)使機(jī)器人正常行走。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 初始化界面設(shè)計

本作品顯示界面（串口屏）主要負(fù)責(zé)顯示服務(wù)信息和接收來自核心處理器STM32傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。首先進(jìn)行界面初始化，受到信號觸發(fā)進(jìn)入顯示界面，顯示子界面分別為智能導(dǎo)診、智能指引、常規(guī)檢查、預(yù)約掛號。該部分程序的實(shí)現(xiàn)基于C編程來完成。

其整體設(shè)計和基本算法的架構(gòu)流程如圖6所示。

3.2 串口屏各功能界面設(shè)計

3.2.1 智能導(dǎo)診

此功能提供智能化導(dǎo)診服務(wù)，界面顯示不同患病類型的就診流程及相應(yīng)就診科室，對患者進(jìn)行指引，幫助患者了解病癥和就醫(yī)步驟，極大地減少了就診時間，其整體設(shè)計流程如圖7所示。

3.2.2 智能指引

此功能可為患者提供診室的位置信息，機(jī)器人自動指引路線[10]。界面有“是否需要指引？”選項(xiàng)，使用者可以根據(jù)自身需求進(jìn)行選擇，可同時選擇不同科室，界面上會展示不同科室對應(yīng)的樓層平面圖，便于使用者找到對應(yīng)科室的位置，其整體設(shè)計的架構(gòu)流程如圖8所示。

3.2.3 常規(guī)檢查

此選項(xiàng)提供醫(yī)院所需最簡單的常規(guī)檢查流程，以減少病患排隊(duì)等待時間。使用者通過接觸機(jī)器人頭部的體溫傳感器和心率血氧傳感器，智能化測量體溫和心率血氧數(shù)據(jù)，界面將會顯示測試結(jié)果并對異常情況進(jìn)行分析。其整體設(shè)計架構(gòu)流程如圖9所示。

3.2.4 預(yù)約掛號

此功能提供了預(yù)約掛號服務(wù)，使用者可直接選擇預(yù)約掛號選項(xiàng)，對就診時間、就診類型、就診專家等進(jìn)行自主選擇和填寫，填寫成功后可直接顯示預(yù)約成功，其整體設(shè)計的架構(gòu)流程如圖10所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 智能化

使用者通過接觸體溫和心率血氧傳感器即可收集相應(yīng)測量數(shù)據(jù)并顯示在屏幕上，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，代替人力測量，可大大節(jié)約時間。同時整個系統(tǒng)有多種傳感器協(xié)同工作，及時收集有用信息提交給微處理器進(jìn)行處理分析。

4.2 交互性

串口屏可顯示豐富的動態(tài)表情，使導(dǎo)診機(jī)器人更加人性化，交互系統(tǒng)的語音識別模塊和語音播放模塊可對使用者提出的問題進(jìn)行簡單回答，并通過播放音樂、笑話等安撫使用者，減弱其消極的情緒。

4.3 自主度

使用者可通過串口屏進(jìn)行自主選擇，查詢就診科室、病房位置、就診流程及路線信息等，信息查詢和預(yù)約掛號一體化，自主度高，獲取信息方式靈活、快捷。

5 結(jié) 語

本文完成了智能導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計，以STM32微處理器為核心，硬件傳感器模塊和系統(tǒng)軟件設(shè)計相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了智能導(dǎo)診、智能指引、常規(guī)檢查、預(yù)約掛號等功能。并且經(jīng)過多次調(diào)試，機(jī)器人工作穩(wěn)定，可有效解決病患在就醫(yī)過程中滯院時間長、尋找科室難等問題，較大程度改善了醫(yī)院的服務(wù)環(huán)境，方便人們就醫(yī)，是醫(yī)院服務(wù)領(lǐng)域一項(xiàng)重要的改革。作品實(shí)物如圖11所示。

隨著人工智能在社會的不斷應(yīng)用，相信導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域會有更好地推廣。

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