移動式醫療服務機器人系統設計

宋倩倩，李曉彤

（泰山學院，山東泰安，271000）

0 引言

隨著經濟社會的不斷進步與快速發展,在現代科學進步技術的不斷推動下,醫療器械技術也隨之不斷地快速發展和不斷創新,在此背景下,用于健康醫療的新型智能醫生機器人應運而生,為我國現代健康醫療行業注入了新的技術活力。但現階段正在研究或是已上市的機器人大多存在功能單一的特點，容易造成醫院內采用多種機器人的情形，在人流較多的醫院不利于開展工作。以新型冠狀病毒肺炎來說，該新型冠狀肺炎病毒傳播急性感染肺炎速度快、危害大并且范圍廣。因其病毒傳播的特點，醫護人員不得不全身武裝對病人進行監測治療，不僅加大醫護人員的自身負擔，也增大了醫護人員的傳染力度。

本文移動式醫療服務機器人最主要的體現便是多功能化，實現一機多用，既可代替醫護人員進入隔離區監測病人體溫詢問病患相關身體情況，同時也可完成藥品食物運送并進行消毒，可降低醫護人員進入隔離區的次數，減小受感染概率。

1 移動式醫療服務機器人工作原理

機器人采用多傳感器融合技術，通過單片機總體控制紅外測溫，行駛與避讓，語音識別與交流，自動回充四個環節實現，同時利用大數據云端及無線對講原理實現人機交互。

機器人行駛至用戶身邊進行非接觸式測溫。測溫后機器人會詢問用戶需求并反饋到醫生的電腦或手機端。醫生可以選擇以視頻和語音直接與用戶交流或以文本形式將答案反饋給機器人，機器人將顯示并朗讀內容。當機器人電量過低時，若機器人正在工作中，會將工作轉接至其余空閑機器人然后返回充電，若機器人處于空閑，返回期間不會接收用戶。其總體設計示意圖如圖1所示。

圖1 總體設計示意圖

2 系統硬件設計

本文以STM51為核心板器件，采用多傳感器融合技術。由STM51單片機為中心控制處理器，在按規劃路線行駛到指定位置時，超聲測距傳感器與定位傳感器共同作用，完成指定任務；行駛途中紅外測溫傳感器實時作用，在進行播報與交流時，語音互動模塊調動大數據云端，將相關指令反饋給中心控制器進行播報。多傳感器工作互相配合，共同控制完成相應活動，實現其功能。具體功能實現如圖2所示。

圖2 硬件實現構成圖

■2.1 紅外感應測溫模塊

測溫儀表部件主要采用新型無接觸式紅外體溫溫度測量,紅外線光學測溫儀(infrared thermometer)由紅外光學測溫系統、紅外射線探測器、電信號圖像處理器、溫度變化指示器及其它附屬激光瞄準器等部分構成。由于任何感測物體在溫度高于絕對零度 (-273℃) 時都會從外表面發射大量的紅外線，溫度傳感器可以接收這些紅外線,以獲得高于感測物體溫度值的數據，所以采用熱敏感探測器，即可在獲得最小溫度誤差以及外界環境溫度對于傳感器測量的影響而得到被測者的體感溫度。溫度會由服務器實時上傳云端并由后臺醫護人員實時監測得到體溫變化曲線，從而對病人做出下一步治療判斷。

圖3 紅外測溫原理圖

■2.2 行駛與避讓功能模塊

超聲波檢測技術具有能量指向性強、能量消耗慢、能量在化學介質中傳播時間長等優點，而且超聲波能量檢測技術往往比較快速、方便、計算簡單。易于控制實時定位，因此有必要使用航空超聲技術對衛星導航進行實時定位。超聲波定時發射器同時向每個用戶身體的兩個方向發射超聲波。同時，系統啟動自動計時。當遇到特定障礙物時，它會自動返回并暫時停止啟動計時。傳感器通過接收檢測到超聲返回來的信號后即可計算出從障礙物到移動機器人的運動距離,測距結束后傳感器驅動電機使機器人完成避讓任務。

運動部件采用四輪雙驅動，并可實現自動尋路以及主控尋路的功能。對于特殊病人，該機器人可以采用主動遙控的方式，通過前置的攝像頭，操控人員可以非常方便的遙控機器人與病人進行交互。對于一般的醫療需求，其可以設置自動模式，通過超聲波雷達裝置自動尋路，運放可選用NE5532，也可以直接選用CX20106。

■2.3 自動回充模塊

供電儲能電池部件主要采用儲能鋰離子燃料電池,其產品擁有非常低的電池、自放電率低的可維護性和相對短的電池充電持續時間，具有極為優良的低溫操作性能，現已經被廣泛采用。機器人開關采用直流開關電源進行供電,開關電源一般由控制脈沖頻率寬度信號調制、電路控制和控制開關電源構成。產品具有體積小、重量輕、效率高等三大特點。Tdk-lambda的系列cdcus-m產品在冷卻條件下具有30W至350W的輸出功率和電壓等級，輸出能量電壓等級規格為5V至48V，輸出功率高，密度低，效率高，符合現代醫療衛生設備應用要求的標準。

3 系統軟件實現

機器人開始工作后，不斷通過紅外測溫模塊測量周圍用戶體溫，當發現體溫異常用戶時，發出語音提醒。同時，會對電量進行判定，當機器人判斷電量不足時，會發送回充信號并控制運動部件返回充電樁進行充電。具體功能實現如圖4所示。

圖4 軟件實現原理圖

■3.1 紅外感應測溫設計

紅外加熱輻射溫度測溫主要依據就是紅外加熱輻射溫度原理—紅外輻射溫度定理:利用這個輻射原理設計制成的紅外溫度輻射測量專用儀表,也叫紅外輻射溫度儀表。紅外線測溫儀測得的紅外輻射為：物體從外表面發射紅外線，溫度傳感器接收這些紅外線從而獲得物體溫度值數據，由服務器傳送給云端，獲得溫度指標。若溫度正常（低于37.3℃），則循環該過程；若體溫異常，數據反饋至單片機調動播報器進行播報，完成警報任務。

■3.2 行駛與避讓功能實現

在超聲波定時發射器向每個用戶身體的兩個方向發射超聲波的時刻，系統啟動自動計時。當遇到特定障礙物時，它會自動返回并暫時停止啟動計時。傳感器通過接收檢測到超聲返回來的信號后即可計算出從障礙物到移動機器人的運動距離，測距離的公式定義為:l=c×t，其中：l為超聲所計算測得的距離，c為室內超聲波在潮濕空氣環境中的持續傳播運動速度，t為超聲計時器所計算測得的持續時間。

■3.3 語音識別與交流

通過室內信息數據與云端數據，其可代替醫生進入隔離區問診，識別用戶需求并進行語音回復，同時用戶還可選擇對講模式與醫生交流。

識別功能的實現是將框架識別為一種狀態，狀態組合成音素，音素組合成詞，通過 “聲學模型” 中的參數得到框架和狀態對應的概率。同時，借助UCloud快杰云服務器構建一個狀態網絡，從狀態網絡中尋找最佳匹配路徑。構建狀態語音網絡，直接將一個詞的詞級語音網絡擴展為音素詞級網絡，然后直接擴展為狀態語音網絡。語音狀態識別這個過程其實就是手機在一個狀態識別網絡中自動搜索一條最佳識別路徑,語音識別對應這條最佳路徑的頻率概卒最大,這就被稱之為“解碼”。路經剪枝搜索的常用算法路經是一種用于動態快速規劃路徑剪枝的搜索算法,稱之為Erviterbit的算法,用于快速尋找一個全局最優化的路徑。

在機器人通信方式方面我們采用A類網絡協議標準。類型A這種類型的網絡是用于系統傳感器/系統執行器數據控制的低速通信網絡。發送到傳輸地址的數據的速率通常遠小于l0kbit/s。這類低速網絡也有多種通信協議，目前，用戶首選的通信標準協議是Lin。Linrt是一種新型的低功耗總線串行數字通信數據系統，用于制造汽車分布式總線電子控制通信系統。它主要是基于Lruart (universal異步接收器/發送器) 的串行數據通信格式，是基于主從總線結構的單線12V電子控制總線串行通信數據系統。主要技術用于實現智能手機傳感器和智能執行器的模擬串行數據通信。

使用醫療單位WiFi及局域網系統，醫護人員與病患可以通過機器人屏幕進行實時交流，家屬也可以采用線上方式主動接入網絡，與患者交流，照顧患者。對講機不受網絡限制不依靠第三方設備，對講模式的實現讓機器人在特殊情況下的通信更加可靠。為減小惡劣環境對通信系統的影響我們采用了數字通信系統讓其具有更強的抗干擾能力，能夠更快的傳回病患此時的狀態及各項身體指標參數。

■3.4 云服務器搭建

UCloud快杰云服務器功能全面，采用AMD第二代EPYC處理器，主頻高達2.9GHz并支持多達37種配置規格，比SATA-SSD更低的延遲可以使機器人更好地完成回避功能。

4 結語

本設計將醫療服務機器人模塊化，既方便機器人的組裝與日常維護，也方便日后機器人的組件升級更新。該醫療機器人協助醫療工作者共同救治病患，既可日常跟蹤監護，又可及時反饋緊急情況，縮短救治反應時間。由于采用模塊化設計，與集成設計相比，具有更大的開發空間和維護效率，節省了資金。