ROS移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的定位設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

宋凱倫 喻 恒

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引言

隨著現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人也逐漸出現(xiàn)在我們的視野中，也發(fā)展到各個(gè)場(chǎng)所，如醫(yī)療場(chǎng)所、服務(wù)場(chǎng)所、生活場(chǎng)所、維護(hù)場(chǎng)所等[1]。當(dāng)前社會(huì)醫(yī)護(hù)人員的工作繁重，工作環(huán)境存在感染風(fēng)險(xiǎn)，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人特別是易感染場(chǎng)所的服務(wù)機(jī)器人的研究可以很大程度上解決這個(gè)問(wèn)題[2]。目前，我國(guó)智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人仍然處于發(fā)展階段，移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人主要針對(duì)的是機(jī)器人的移動(dòng)定位避障、手臂控制、零半徑轉(zhuǎn)彎、語(yǔ)言播報(bào)、身份識(shí)別等。愈來(lái)愈多的科研機(jī)構(gòu)和公司企業(yè)開始著手智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的研究。

結(jié)合現(xiàn)在一些比較先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)，采用一些較為貼近生活化的設(shè)計(jì)理念，我們?cè)O(shè)計(jì)的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，運(yùn)用ROS機(jī)器人自主導(dǎo)航[3]、樹莓派的語(yǔ)音播報(bào)、二維碼（條形碼）的掃描、遠(yuǎn)程通信（控制）、舵機(jī)的控制、智慧醫(yī)療機(jī)器等技術(shù)。

該機(jī)器人為自主控制機(jī)器人，以樹莓派作為主控，結(jié)合ROS系統(tǒng)機(jī)器人、智慧醫(yī)療機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有模擬醫(yī)生護(hù)士查房、送藥、檢查病人各項(xiàng)體征等功能。實(shí)現(xiàn)了模擬醫(yī)生或者護(hù)士對(duì)病人進(jìn)行查房、簡(jiǎn)單體征監(jiān)測(cè)等，該項(xiàng)目可以有效緩解醫(yī)護(hù)人員繁重的工作，也可降低易感染病房護(hù)理人員的工作風(fēng)險(xiǎn)。

1 ROS系統(tǒng)應(yīng)用

ROS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也頗有特色，ROS運(yùn)行時(shí)是由多個(gè)松耦合的進(jìn)程組成，每個(gè)進(jìn)程ROS稱之為節(jié)點(diǎn)（Node），所有節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)行在一個(gè)處理器上，也可以分布式運(yùn)行在多個(gè)處理器上。在實(shí)際使用時(shí)，這種松耦合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以讓開發(fā)者根據(jù)機(jī)器人所需功能靈活添加各個(gè)功能模塊。

ROS的設(shè)計(jì)者考慮到各開發(fā)者使用的開發(fā)語(yǔ)言不同，因此ROS的開發(fā)語(yǔ)言獨(dú)立。除了官方提供的功能包之外，ROS還聚合了全世界開發(fā)者實(shí)現(xiàn)的大量開源功能包，如思嵐科技（SLAMTEC）就發(fā)布了針對(duì)其自主研發(fā)的激光雷達(dá)RPLIDAR的ROS功能包RPLIDAR_ROS。這些開源功能包與ROS一起構(gòu)成了強(qiáng)大的開源生態(tài)環(huán)境[4-5]。

2 移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人硬軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)[6-7]包括導(dǎo)航模塊、交互模塊和測(cè)量模塊三個(gè)部分，具體功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 導(dǎo)航模塊

系統(tǒng)主要運(yùn)用ROS機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航[8]，自主導(dǎo)航中自動(dòng)避障是通過(guò)激光雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光雷達(dá)可以給附近的障礙物發(fā)出激光束，將反射回來(lái)的信號(hào)收集并通過(guò)RVIZ（ROS的3D可視化工具）顯示出來(lái)，得到障礙物的大致分布，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。在ROS機(jī)器人map_tools工具中來(lái)增加需要遍歷的航點(diǎn)，ROS機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)這些航點(diǎn)進(jìn)行自主規(guī)劃路線，以此來(lái)到達(dá)指定航點(diǎn)。

2.1.2 交互模塊

交互模塊主要運(yùn)用的是樹莓派（微型電腦），樹莓派運(yùn)用的是Linux系統(tǒng)，通過(guò)條碼掃描器掃描條碼得到藥物信息，以此來(lái)判斷床號(hào)，通過(guò)樹莓派的通信功能，給各個(gè)功能模塊發(fā)送命令，從而進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，同時(shí)對(duì)應(yīng)床號(hào)的舵機(jī)啟動(dòng)，打開藥箱。病人取藥后可以進(jìn)行音視頻交流。

2.1.3 測(cè)量模塊

此模塊主要運(yùn)用智能醫(yī)療來(lái)進(jìn)行測(cè)量，基于安卓系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙通信傳輸測(cè)量的心率、體溫、血壓等數(shù)據(jù)到手機(jī)App上，從而達(dá)到測(cè)量病人體征的目的。

圖1 移動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人設(shè)計(jì)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)航模塊

ROS機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航程序中，首先編寫運(yùn)動(dòng)Node即設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，及自身的直徑。然后進(jìn)行SLAM建圖，通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的狀況進(jìn)行掃描，會(huì)自動(dòng)標(biāo)注出障礙點(diǎn)、靜態(tài)障礙物的輪廓等，可以實(shí)時(shí)建出一個(gè)可行性高的圖。接下來(lái)是Navigation導(dǎo)航，啟動(dòng)RVIZ，機(jī)器人模型會(huì)出現(xiàn)在之前建好的圖中，可以設(shè)置起始點(diǎn)及到達(dá)目標(biāo)行點(diǎn)后ROS機(jī)器人的朝向。在map tools工具中添加需要遍歷的航點(diǎn)，輸入命令啟動(dòng)Rviz，在初始建好的圖中設(shè)置航點(diǎn)，可以在航點(diǎn)后設(shè)置延時(shí)，ROS機(jī)器人會(huì)根據(jù)設(shè)置好的航點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃路線，到達(dá)目標(biāo)航點(diǎn)會(huì)完成相應(yīng)的指令，并和樹莓派進(jìn)行通信把指令發(fā)送，進(jìn)而讓樹莓派進(jìn)行其他步驟，在行走過(guò)程中會(huì)自動(dòng)避障，到達(dá)最終目標(biāo)行點(diǎn)后會(huì)自動(dòng)停止。導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.2.2 交互模塊

樹莓派通過(guò)調(diào)用GPIO庫(kù)，藍(lán)牙庫(kù)等對(duì)舵機(jī)、病人體征檢測(cè)設(shè)備、USB攝像頭進(jìn)行控制。通過(guò)麥克風(fēng)提前錄音進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，定義語(yǔ)音1和語(yǔ)音2方便調(diào)用。在ROS機(jī)器人距離病人床頭的距離小于50 cm時(shí)打開攝像頭進(jìn)行條碼掃描。通過(guò)條碼內(nèi)容的比較判斷為幾號(hào)病床并進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)并打開對(duì)應(yīng)藥箱。然后通過(guò)藍(lán)牙模塊打開病人體征檢測(cè)設(shè)備對(duì)病人進(jìn)行心率血壓等體征檢測(cè)，同時(shí)接受ROS機(jī)器人發(fā)來(lái)的信號(hào)做出相對(duì)于的檢測(cè)。交互模塊程序流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 導(dǎo)航模塊軟件設(shè)計(jì)流程

圖3 交互模塊程序流程設(shè)計(jì)

2.2.3 測(cè)量模塊

當(dāng)接收到樹莓派通過(guò)交互模塊正確識(shí)別病人后發(fā)出信號(hào)，檢測(cè)設(shè)備開始工作，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)回樹莓派。檢測(cè)設(shè)備分別有體溫、心率、血壓等基本測(cè)量模塊，測(cè)量設(shè)備采用已有常用的數(shù)字測(cè)量模塊，連接主控設(shè)備串口通信，程序主要使用簡(jiǎn)單的串行通信即可。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試的過(guò)程中也分為三個(gè)模塊。測(cè)量模塊、導(dǎo)航模塊、交互模塊。由于每個(gè)模塊需要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不同，測(cè)試要求也不一樣，因此，對(duì)對(duì)應(yīng)不同的功能模塊設(shè)置不同的測(cè)試方法，使測(cè)試結(jié)果更具說(shuō)服性和準(zhǔn)確性。

3.1 導(dǎo)航模塊測(cè)試

導(dǎo)航模塊主要是測(cè)試路徑是否能自主規(guī)劃路線和自動(dòng)避障及能否到達(dá)指定航點(diǎn)；每次測(cè)試結(jié)束后記錄導(dǎo)航的準(zhǔn)確次數(shù)和不準(zhǔn)確次數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航模塊的測(cè)試。

導(dǎo)航模塊的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 導(dǎo)航模塊測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中失敗的原因?yàn)椋涸O(shè)置航點(diǎn)時(shí)鼠標(biāo)沒(méi)有固定好，導(dǎo)致航點(diǎn)有誤差。導(dǎo)航有效率大于95%，所以導(dǎo)航模塊基本能實(shí)現(xiàn)。

3.2 交互模塊測(cè)試

交互模塊主要是測(cè)試掃描條碼能否出來(lái)正確的數(shù)據(jù)并正確的語(yǔ)音播報(bào)打開相對(duì)應(yīng)的藥箱；每次測(cè)試結(jié)束后記錄能否正確語(yǔ)音播報(bào)及打開藥箱，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)交互模塊的測(cè)試，交互模塊的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 交互模塊測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果正確識(shí)別語(yǔ)音并作出控制的有效率超98%，失敗的原因?yàn)榄h(huán)境噪聲干擾，這需要進(jìn)一步提高硬件抗噪能力，但是考慮到醫(yī)院環(huán)境的噪聲一般都比較小，因此，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互控制。

3.3 測(cè)量模塊測(cè)試

測(cè)量模塊主要是測(cè)試智能醫(yī)療能否準(zhǔn)確地測(cè)量出病人的心率、體溫、血壓?；谥腔坩t(yī)療小車的測(cè)試；每次測(cè)試結(jié)束后記錄能否準(zhǔn)確測(cè)量出病人的三項(xiàng)體征，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量模塊的測(cè)試。測(cè)量模塊的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)量模塊顯示結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中失敗的原因?yàn)椋菏覂?nèi)溫度不穩(wěn)定，以及智慧醫(yī)療機(jī)器電壓不穩(wěn)定，測(cè)量有效率大于95%，所以測(cè)量模塊基本能實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)涉及一種基于ROS系統(tǒng)移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，該系統(tǒng)適用于醫(yī)院、病診所等室內(nèi)自主導(dǎo)航、語(yǔ)音交互、體征測(cè)量等功能。系統(tǒng)測(cè)算簡(jiǎn)單，響應(yīng)快速、移動(dòng)準(zhǔn)確。可以通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)觀察出機(jī)器人的當(dāng)前位置信息，可以根據(jù)規(guī)定好的下一個(gè)路徑坐標(biāo)進(jìn)行方位姿態(tài)和移動(dòng)動(dòng)作調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)病床識(shí)別、人機(jī)語(yǔ)音交互以及簡(jiǎn)單的查房體征檢測(cè)，可以有效減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量，同時(shí)為感染病房的護(hù)理工作提供了一個(gè)安全有效的方案。