基于激光SLAM技術(shù)的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人電控設(shè)計(jì)研究

李一帆，蔣恒新，梁進(jìn)，羅騰涵，王露

（重慶交通大學(xué)，重慶，400074）

0 引言

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人技術(shù)是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)學(xué)分析、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究?jī)r(jià)值，在軍用和民用中有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。目前，在我國(guó)醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)中，康復(fù)機(jī)器人占比最大，約為41%；手術(shù)機(jī)器人占比相差不大，分別為 17%、16%[2]。醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人主要包括醫(yī)療問(wèn)診、醫(yī)院物流、影像定位等類(lèi)型[3]。疫情以來(lái)，各種智能機(jī)器人在醫(yī)院診療體系中發(fā)揮所長(zhǎng)。物流機(jī)器人不僅分擔(dān)了不同時(shí)段的配送藥品任務(wù)，減少患者等待用藥的時(shí)間，還降低了因人工配送產(chǎn)生交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，最大限度的保護(hù)了醫(yī)患的健康和安全。基于醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的板塊尚未普及，未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮螅疚臄M設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)醫(yī)療物資配送，降低人工成本的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，以此來(lái)提高醫(yī)院日常運(yùn)營(yíng)和服務(wù)效率，讓醫(yī)護(hù)人員將精力集中在為患者提供診療服務(wù)上，讓老百姓體驗(yàn)到更加智能、高效、舒暢的就醫(yī)體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，本設(shè)計(jì)是以樹(shù)莓派4B為主控制器，STM32F103為從控制器的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人通過(guò)從控制模塊將電機(jī)編碼器與加速度傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)融合后得到里程計(jì)數(shù)據(jù)，接著主控制模塊綜合里程計(jì)、慣性導(dǎo)航和激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)，利用激光SLAM技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)建圖，建圖完畢后保存地圖。上位機(jī)遠(yuǎn)程確定行走目標(biāo)點(diǎn)后，主控制器進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，之后利用激光雷達(dá)和慣性導(dǎo)航實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)局部路徑規(guī)劃算法前往目標(biāo)點(diǎn)，完成自主避障導(dǎo)航。監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取前方圖像信息并傳輸至通信模塊，通信模塊將實(shí)時(shí)采集到的圖像和機(jī)器人的姿態(tài)信息傳輸至上位機(jī)，以便實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)（若有突發(fā)狀況，相關(guān)人員可及時(shí)前往查看），從而保持高效的工作狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)模塊可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走（如遇突發(fā)情況可緊急制動(dòng)）。機(jī)器人內(nèi)部放藥區(qū)采用升降放置平臺(tái)，在用戶取藥的時(shí)，可通過(guò)掃描病人二維碼的方式打開(kāi)該病人的藥物放置倉(cāng)，以確保藥品的精確送達(dá)。顯示模塊顯示當(dāng)前機(jī)器人的姿態(tài)與藥品等相關(guān)信息，方便相關(guān)人員查看。通過(guò)ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊可用于檢測(cè)電池模塊剩余電壓，根據(jù)功率計(jì)算剩余運(yùn)行時(shí)間，以便低電量時(shí)即使充電避免影響正常使用。過(guò)充過(guò)放保護(hù)模塊用于控制充電速度，防止電源在長(zhǎng)時(shí)間使用后，因多次過(guò)充和過(guò)放導(dǎo)致電池壽命下降。穩(wěn)壓模塊用于保證裝置各個(gè)部分供電穩(wěn)定，能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

■2.1 加速度傳感器模塊

本設(shè)計(jì)使用的加速度傳感器模塊采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出裝置當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；采用數(shù)學(xué)積分及運(yùn)動(dòng)估算，解算出高精度旋轉(zhuǎn)角度，避免出現(xiàn)大幅度誤差；內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下精確輸出裝置當(dāng)前姿態(tài)，穩(wěn)定度極高。從控制器通過(guò)串口獲取該模塊檢測(cè)到的偏航角與角加速度，利用這些數(shù)據(jù)與輪式編碼器的數(shù)據(jù)解算出里程計(jì)數(shù)據(jù)，為建圖提供精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

■2.2 激光雷達(dá)模塊

本設(shè)計(jì)采用思嵐RPLIDAR-AIM8激光雷達(dá)，可對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行360度全方位掃描測(cè)距，從而獲得周?chē)h(huán)境的輪廓圖。內(nèi)置了9自由度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可在高低起伏、存在傾角的手持建圖模式下正常工作，保證很好的建圖數(shù)據(jù)質(zhì)量。無(wú)論是室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，還是室外強(qiáng)光直射環(huán)境，出色的展現(xiàn)出其面對(duì)室內(nèi)外復(fù)雜場(chǎng)景地圖構(gòu)建和定位的能力。該模塊通過(guò)USB與主控制器相連，主控制器通過(guò)USB不斷獲取雷達(dá)深度信息，并將其與里程計(jì)信息相結(jié)合完成建圖與導(dǎo)航工作。

■2.3 顯示模塊

本裝置顯示模塊采用LCD顯示屏，通過(guò)顯示模塊可以查看機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、電池剩余電量、已放置藥品數(shù)量和藥品是否被取走等信息，方便醫(yī)護(hù)人員和患者的使用，提高運(yùn)行效率。該LCD顯示屏通過(guò)常規(guī)HDMI線與樹(shù)莓派進(jìn)行通信，樹(shù)莓派將相關(guān)數(shù)據(jù)處理后顯示在屏幕上反饋給用戶。

3 建圖與導(dǎo)航

■3.1 里程計(jì)數(shù)據(jù)解算

里程計(jì)是反映機(jī)器人每時(shí)每刻坐標(biāo)姿態(tài)變化的信息，是機(jī)器人建圖導(dǎo)航不可或缺的數(shù)據(jù)之一。里程計(jì)信息則需要機(jī)器人底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與相關(guān)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)相結(jié)合解算出。本設(shè)計(jì)采用的是兩輪差分底盤(pán)，由于正常機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)有x，y，z三軸自由度，而驅(qū)動(dòng)差分底盤(pán)則只需要左右輪的速度便可以，所以該底盤(pán)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于該底盤(pán)來(lái)說(shuō)，機(jī)器人每時(shí)每刻運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡都可以看成是一個(gè)圓弧，當(dāng)機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)時(shí)軌跡是一個(gè)半徑為零的圓弧，當(dāng)直線行走時(shí)軌跡是一個(gè)半徑趨近于無(wú)窮大的圓弧。由于該底盤(pán)的機(jī)器人無(wú)法進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓弧，所以運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要是運(yùn)動(dòng)的線速度與角速度。根據(jù)圓弧運(yùn)動(dòng)中線速度、角速度和運(yùn)動(dòng)半徑之間的關(guān)系，我們便可以推算出底盤(pán)的線速度與角速度公式：

■3.2 Gmapping建圖

本設(shè)計(jì)采用Gmappinng建圖方法對(duì)醫(yī)院室內(nèi)進(jìn)行建圖，該方法集成了Rao-Blackwellized粒子濾波算法。gmapping功能包訂閱機(jī)器人的深度信息、IMU信息和里程計(jì)信息，同時(shí)完成一些必要參數(shù)的配置，即可創(chuàng)建并輸出基于概率的二維柵格地圖。在獲取雷達(dá)和里程計(jì)信息后，樹(shù)莓派有必要知道各坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，在ROS中稱(chēng)為tf變換。其中必須的tf變換為→base_link，即激光雷達(dá)坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的變換，此處使用static_transform_publisher發(fā)布；map→odom，即地圖坐標(biāo)系與機(jī)器人里程計(jì)坐標(biāo)系之間的變換，機(jī)器人在地圖中的位姿：imu→base_link，即imu坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系之間的變換，以更精確的確定機(jī)器人的位置。建圖狀態(tài)如圖2所示，機(jī)器人可根據(jù)所建地圖完成送藥任務(wù)。

圖2 建圖狀態(tài)圖

■3.3 自主導(dǎo)航算法

ROS中的自主導(dǎo)航是基于move_base這個(gè)導(dǎo)航關(guān)鍵功能包。自主導(dǎo)航較之建圖多了定位手段，amcl功能包采用蒙特卡羅定位方法，用大量粒子來(lái)估計(jì)機(jī)器人位姿，粒子最密集處為amcl估算機(jī)器人在地圖坐標(biāo)系的位姿信息。

在導(dǎo)航過(guò)程中，move_base提供全局路徑規(guī)劃和本地實(shí)時(shí)規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃采用Dijkstra算法規(guī)劃全局最優(yōu)路徑。本地實(shí)時(shí)規(guī)劃采用適合于機(jī)器人底盤(pán)形狀的Dynamic Window Approaches算法，搜索躲避和行進(jìn)的多條路徑，綜合各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取最優(yōu)路徑。該規(guī)劃提供多種接口，如goal：發(fā)布任務(wù)目標(biāo)；cancel：請(qǐng)求取消任務(wù)；status：通知客戶端當(dāng)前的狀態(tài)等。機(jī)器人在加入自主導(dǎo)航功能后，便有了基本的完成送藥的能力。

4 二維碼檢測(cè)與識(shí)別

本設(shè)計(jì)通過(guò)OPENCV完成對(duì)二維碼的檢測(cè)與識(shí)別，首先創(chuàng)建一個(gè)QRCodeDetector類(lèi)的對(duì)象，然后調(diào)用dete ctAndDecode()函數(shù)完成對(duì)二維碼的檢測(cè)與識(shí)別。該函數(shù)首先獲取攝像頭圖像并檢測(cè)是否有二維碼存在，當(dāng)檢測(cè)到二維碼存在后，便開(kāi)始搜索二維碼的位置探測(cè)圖形，即QR二維碼中三個(gè)頂點(diǎn)處的“回”字區(qū)域，以此確定二維碼在圖像中的位置，然后對(duì)其進(jìn)行解碼獲取字符信息并返回。樹(shù)莓派獲取二維碼字符信息后，確定用戶身份信息是否正確，如正確便開(kāi)啟艙門(mén)，使用戶完成取藥。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)始后，首先將上位機(jī)和下位機(jī)初始化，下位機(jī)通過(guò)通信模塊接受上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制指令，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人圍繞所在空間行走，期間下位機(jī)不斷獲取來(lái)自激光雷達(dá)、輪式編碼器與加速度傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并利用Gmapping功能包進(jìn)行實(shí)時(shí)建圖并保存地圖，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)使其顯示實(shí)時(shí)建圖過(guò)程。當(dāng)需要配送藥品時(shí)，醫(yī)護(hù)人員首先將藥品放置升降平臺(tái)上，然后通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程確定配送目標(biāo)點(diǎn)，之后下位機(jī)利用建立好的地形圖進(jìn)行全局路徑規(guī)劃并開(kāi)始配送。配送期間下位機(jī)不斷接收來(lái)自各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，通過(guò)局部路徑規(guī)劃與全局路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航，并控制機(jī)器人前往配送地點(diǎn)。抵達(dá)配送點(diǎn)后，取藥人員可通過(guò)掃描患者二維碼認(rèn)證身份信息，機(jī)器人確認(rèn)取藥人員身份信息后，打開(kāi)艙門(mén)升起升降放置平臺(tái),同時(shí)顯示模塊顯示藥品相關(guān)信息，方便取藥。在行進(jìn)過(guò)程中，下位機(jī)不斷傳輸攝像頭采集的圖像和機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)等信息至上位機(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后顯示攝像頭圖像與機(jī)器人姿態(tài)等信息以便工作人員查看。當(dāng)工作人員通過(guò)攝像頭圖像確定出現(xiàn)異常情況時(shí)，可及時(shí)通知相關(guān)人員前往現(xiàn)場(chǎng)處理。在藥品全部被取出后，機(jī)器人返回起點(diǎn)，完成一個(gè)工作任務(wù)。升降放置平臺(tái)升起和降落狀態(tài)如圖3和圖4所示。

圖3 升降裝置升起示意圖

圖4 升降裝置降落示意圖

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于激光SLAM技術(shù)的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，通過(guò)將激光雷達(dá)，慣性導(dǎo)航模塊，加速度傳感器模塊和輪式編碼器模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并利用激光SLAM技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)建圖并保存。在接收到遠(yuǎn)程發(fā)送的目的地信息后，機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃并通過(guò)自主避障導(dǎo)航算法前往目的地，實(shí)現(xiàn)藥品的送達(dá)。針對(duì)目前疫情期間在醫(yī)護(hù)人員配送藥品時(shí)容易產(chǎn)生交叉感染的情況，本設(shè)計(jì)很好的實(shí)現(xiàn)了藥品的無(wú)接觸配送，降低了醫(yī)患人員發(fā)生交叉感染的概率，并且不會(huì)影響醫(yī)院的正常運(yùn)行，提高了醫(yī)院的日常運(yùn)行與服務(wù)效率。這種能夠?qū)崿F(xiàn)藥品無(wú)接觸配送，節(jié)約時(shí)間與人力的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，不僅滿足了如今疫情期間降低感染率的需求，也符合如今醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、家庭及非特定的多種場(chǎng)合，具有移動(dòng)性與導(dǎo)航、識(shí)別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面；在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力[4]的特點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。