基于ARM及機(jī)器視覺(jué)的智能藥品運(yùn)送機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

江龍韜，劉怡沛，張 卓

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

21 世紀(jì)以來(lái), 國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越重視。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高新技術(shù)之一[1-2]。隨著近年來(lái)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)需求的不斷擴(kuò)大，醫(yī)療機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)和系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，醫(yī)療自動(dòng)化正逐漸成為具有巨大前景的新興產(chǎn)業(yè)[3-4]。就目前情況而言，醫(yī)療機(jī)器人的研制主要集中在外科手術(shù)、康復(fù)和醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)等幾個(gè)方面[5-7]。但新型冠狀肺炎疫情的爆發(fā)加速了機(jī)器人在醫(yī)療行業(yè)，特別是在醫(yī)院服務(wù)配送方面的應(yīng)用發(fā)展[8-10]。針對(duì)疫情防控過(guò)程暴露出的核心問(wèn)題, 如醫(yī)療物資匱乏、消毒任務(wù)繁重、醫(yī)護(hù)人員短缺等, 投入和使用具有特定服務(wù)功能的機(jī)器人進(jìn)行疫情防控?zé)o疑會(huì)具有極大的優(yōu)勢(shì)[11-12]。

因此當(dāng)今醫(yī)療行業(yè)迫切需要一種具有無(wú)人送藥功能的新型機(jī)器人，以此來(lái)節(jié)約醫(yī)療人力、提高診療效率，更好地保護(hù)疫情中從事診療工作的醫(yī)護(hù)人員[13-14]。針對(duì)以上熱點(diǎn)需求，本文設(shè)計(jì)了一種以STM32嵌入式系統(tǒng)為核心，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字識(shí)別，機(jī)器視覺(jué)尋跡的醫(yī)療智能送藥機(jī)器人。該機(jī)器人具備自動(dòng)門牌號(hào)識(shí)別、自主送藥路徑規(guī)劃、貨物裝載檢測(cè)及卸取、智能人機(jī)交互等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)療送藥實(shí)時(shí)性及復(fù)雜性的功能需要。經(jīng)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該機(jī)器人可自主識(shí)別病房號(hào)并規(guī)劃路徑送藥，且能在醫(yī)療人員取藥后自動(dòng)返回，快速進(jìn)行下一輪送藥工作，可以在緊急醫(yī)療環(huán)境下提供高效準(zhǔn)確的醫(yī)療配送服務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

結(jié)合醫(yī)院地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、性能穩(wěn)定的智能醫(yī)療送藥機(jī)器人，本文介紹的系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：ARM控制模塊，傳感器檢測(cè)模塊，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模塊，機(jī)器視覺(jué)循跡模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，動(dòng)作提示模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 醫(yī)療智能送藥機(jī)器人總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)ARM控制模塊：接收傳感器及視覺(jué)模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)行路徑規(guī)劃，使用PID算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸任務(wù)。

2)傳感器檢測(cè)模塊：實(shí)時(shí)采集機(jī)器人車速，貨物裝載情況等數(shù)據(jù)。

3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模塊：在特定情況下識(shí)別病房門牌號(hào)，確定行進(jìn)方向。

4)機(jī)器視覺(jué)循跡模塊：處理地面復(fù)雜狀況，擬合正確路線防止機(jī)器人偏離。

5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：根據(jù)ARM模塊發(fā)出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩輪電機(jī)。

6)動(dòng)作提示模塊：到達(dá)路線標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，提示醫(yī)療人員進(jìn)行裝載卸貨等操作。

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作重心主要包括整體硬件電路系統(tǒng)的搭建、高性能ARM芯片對(duì)于路徑規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、機(jī)器視覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用；通過(guò)完成以上3個(gè)部分，并將其在實(shí)際應(yīng)用中緊密融合，最終可以使送藥機(jī)器人完成快速穩(wěn)定、及時(shí)準(zhǔn)確的配送任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制模塊設(shè)計(jì)

ARM控制模塊以STM32F407ZGT6為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要參考了ST官方的STM32F40XXX中文數(shù)據(jù)手冊(cè)。該CPU基于ARM Cortex-M4F內(nèi)核設(shè)計(jì)，內(nèi)部FLASH為1 024 KB,SARM為192 KB，同時(shí)具備144個(gè)可使用GPIO引腳，非常適合編寫大型的復(fù)雜系統(tǒng)程序。設(shè)計(jì)時(shí)外部低速時(shí)鐘LSE晶振設(shè)置為32.768 kHz，高速外部時(shí)鐘HSE晶振設(shè)置為8 MHz，同時(shí)晶振電路分別帶有10 PF、20 PF的負(fù)載電容構(gòu)成晶體諧振器，可以為單片機(jī)提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率。系統(tǒng)默認(rèn)啟動(dòng)方式為BOOT0=0,BOOT1=0的主FLASH啟動(dòng)方式，以此種方式啟動(dòng)可以直接運(yùn)行用戶實(shí)現(xiàn)燒錄的程序。設(shè)計(jì)時(shí)還預(yù)留了SWD方式的燒錄調(diào)試口，該調(diào)試方式僅需4 Pin便可經(jīng)ST-Link/V2進(jìn)行完美的單片機(jī)硬件調(diào)試，為后續(xù)的程序編寫提供了極大的便利。ARM控制模塊部分電路如圖2所示。

圖2 ARM控制模塊部分電路圖

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模塊以RISC-V內(nèi)核的K210芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)[15-17]。該芯片擁有雙核64 bit處理器，支持乘除平方根運(yùn)算的雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元FPU，標(biāo)稱的工作頻率可達(dá)400 MHz。處理器內(nèi)部還設(shè)計(jì)了專門用于計(jì)算CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器KPU，使其算力可以達(dá)到1 TOPS，超過(guò)了樹莓派、Jetson Nano等嵌入式平臺(tái)，同時(shí)內(nèi)部設(shè)置的8 MB超大SARM允許在實(shí)際應(yīng)用中燒錄輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。并且該芯片支持Micropython嵌入式語(yǔ)言，能夠使用官方提供的Maixpy固件庫(kù)，極大地方便了工程中的二次開發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，將其與具有200萬(wàn)像素的OV2640攝像頭配合使用，進(jìn)行門牌號(hào)識(shí)別工作。

2.3 機(jī)器視覺(jué)尋跡模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)尋跡模塊采用國(guó)外硬件工程師CHRIS ANDERSON設(shè)計(jì)的OPENMV4Plus開源機(jī)器視覺(jué)模塊[18-20]。該模塊以STM32H743V1芯片為主控，作為新一代的Cortex-M7處理器，其工作頻率可達(dá)480 MHz。同時(shí)板載FLASH為芯片內(nèi)置2 MB+32 MB，SRAM為芯片內(nèi)置1 MB+32 MB，可用于存儲(chǔ)復(fù)雜的圖像處理程序。該處理器同樣支持Micropython嵌入式編程語(yǔ)言，且搭配有完整的官方固件庫(kù)，可配合OPEVIDE進(jìn)行高效開發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，與具備30萬(wàn)像素的OV7725攝像頭配合使用，在進(jìn)行二值化、腐蝕膨脹、擬合直線等復(fù)雜的圖像處理任務(wù)下，處理速度可達(dá)到每秒83幀，滿足實(shí)際場(chǎng)景下尋跡需求。

2.4 傳感器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 光電貨物檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

光電貨物檢測(cè)模塊由紅外對(duì)管和LM393構(gòu)成的單值電壓比較器組成，紅外對(duì)管的基本原理是一個(gè)對(duì)管發(fā)射出的紅外線，另一對(duì)管用來(lái)接收物體反射回的紅外線，將反射回來(lái)的光波強(qiáng)度映射為模擬量。集成電壓比較器LM393的主要作用是將紅外對(duì)管U1得到的模擬量與可調(diào)電位器RP1上的模擬量進(jìn)行比較，得到靈敏度可調(diào)的數(shù)字量輸出，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)高低電平就可以得知是否有貨物裝載;設(shè)計(jì)中采用的紅外對(duì)管發(fā)射接收裝置采用直徑4 mm的紅外發(fā)射管,發(fā)射的光波為950 nm的紅外線，其額定的工作電壓為DC 3.0～5.5 V，工作電流為5～15 mA。同時(shí)電路中還設(shè)計(jì)了二極管D1用于電源正常工作指示，D2用于紅外對(duì)管U1模擬量與電位器RP1模擬量大小指示。光電貨物檢測(cè)模塊電路如圖3所示。

圖3 光電貨物檢測(cè)模塊電路圖

2.4.2 霍爾編碼器模塊設(shè)計(jì)

霍爾編碼器模塊采用了兩通道增量式的520-P13磁性編碼器。編碼器電路包含一個(gè)用于磁電轉(zhuǎn)換的磁珊和磁敏檢測(cè)電路。該型號(hào)的磁性編碼器工作電壓為5 V，溫度為-20～+80 ℃，適用于520型號(hào)電機(jī)；其引出的引腳一共有6 Pin，分別為Motor+、VCC、A相、B相、GND、Motor-，其中的A相、B相引腳在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)分別發(fā)出相位相差90度的100 kHz方波，分辨率為每圈13個(gè)脈沖。通過(guò)將ARM主控的通用定時(shí)器TIMERX設(shè)置為Encoder編碼器模式，就可對(duì)編碼器輸出的AB相脈沖進(jìn)行捕獲。將每秒捕獲的脈沖數(shù)除以每圈脈沖再乘以車輪直徑就可得到機(jī)器人實(shí)時(shí)速度，根據(jù)需要使用一節(jié)互補(bǔ)濾波濾除高階噪聲之后就可以得到平滑的速度輸出曲線。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)部分以BTS7970芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片脈寬調(diào)制能力高達(dá)25 kHz，且具有通過(guò)限制過(guò)高電流降低功耗的功能，能夠保證送藥機(jī)器人精準(zhǔn)的調(diào)速控制及持續(xù)工作狀態(tài)下的續(xù)航。實(shí)際設(shè)計(jì)中通過(guò)將4個(gè)BTS7970兩兩組合構(gòu)成了兩路H橋全橋驅(qū)動(dòng)電路，全橋驅(qū)動(dòng)通過(guò)不同極性的PWM波能夠分別導(dǎo)通BTS7970內(nèi)部的不同MOSFET，從而達(dá)到控制電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)變速的功能。同時(shí)電路中加入了LED燈進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的指示，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，LED1亮LED2滅；反轉(zhuǎn)時(shí)，LED2亮LED1滅，極大方便了后續(xù)的硬件調(diào)試工作。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電機(jī)部分使用了減速比為1∶30的JGB27-520減速電機(jī)，該型號(hào)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)3 kg/cm，使用的電壓為DC 12 V，最大輸出功率為7 W，滿足實(shí)際藥物配送的載重需求。實(shí)際應(yīng)用中與上述驅(qū)動(dòng)電路相配合，將兩個(gè)減速電機(jī)分別接至JP1和JP3端口，通過(guò)控制單片發(fā)出每秒10 kHz的不同占空比PWM方波，即可使驅(qū)動(dòng)模塊輸出不同極性大小的電流，進(jìn)而控制該電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，達(dá)到配送藥品的目的。主控實(shí)際分配的控制引腳如表1所示。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊管腳設(shè)置

2.6 動(dòng)作提示模塊設(shè)計(jì)

動(dòng)作提示模塊由一個(gè)有源蜂鳴器模塊和紅黃綠三色LED燈組成。有源蜂鳴器模塊通過(guò)BEEP引腳拉低電平導(dǎo)通PNP三極管輸出電流使蜂鳴器發(fā)出響聲。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)檢測(cè)到貨物為空時(shí)亮綠色LED燈提示人員裝載藥品，檢測(cè)到載有藥品時(shí)亮紅色LED燈；當(dāng)送藥至指定門牌號(hào)病房前停車等待取藥時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲響同時(shí)黃色LED燈亮提示人員取藥。具體電路如圖5所示。

圖5 動(dòng)作提示模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ARM主控模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電首先對(duì)各模塊初始化操作，接著等待初始房間號(hào)識(shí)別，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別到初始門牌號(hào)之后等待貨物裝載，通過(guò)光電貨物檢測(cè)模塊判斷搭載貨物后進(jìn)行貨物配送任務(wù)，配送過(guò)程中的程序算法分為4個(gè)部分：路徑規(guī)劃算法、機(jī)器視覺(jué)尋跡算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別號(hào)碼算法、PID控制位置和速度算法。其中機(jī)器視覺(jué)算法搭載于OPENMV平臺(tái)上，主控通過(guò)USART1_IRQHandler()串口中斷函數(shù)接收傳送回來(lái)的路徑實(shí)時(shí)坐標(biāo)來(lái)計(jì)算當(dāng)前位置與正確路徑的偏移量，同時(shí)還通過(guò)傳送的特殊字符進(jìn)行十字路口的有無(wú)判斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法搭載于K210平臺(tái)上，用于在十字路口進(jìn)行門牌號(hào)識(shí)別為機(jī)器人指示正確方向，主控通過(guò)USART2_IRQHandler()函數(shù)接收神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別到的門牌號(hào)數(shù)據(jù)，判斷方向進(jìn)行差速轉(zhuǎn)彎并繼續(xù)尋跡。路徑規(guī)劃算法用于近端、中端、遠(yuǎn)端病房的判斷，指示機(jī)器人正確的行進(jìn)路線，同時(shí)記錄行進(jìn)過(guò)程中的十字路口及轉(zhuǎn)彎等標(biāo)志位，以便能夠快速準(zhǔn)確地返回原始藥房。PID算法通過(guò)串口1中斷的出的偏移量、編碼器得到的機(jī)器人速度以及轉(zhuǎn)彎或是直線行進(jìn)的判斷，得出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的共4路PWM數(shù)值裝填數(shù)值填入各自的TIMX_CCRX寄存器中，糾正路線偏移量的同時(shí)調(diào)整機(jī)器人速度。最終到達(dá)目標(biāo)病房后，停車亮黃燈控制蜂鳴器發(fā)出聲響，提示醫(yī)護(hù)人員卸載藥品。藥品卸下后，返回到達(dá)藥房停車，進(jìn)行下一輪的配送工作。主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總流程圖設(shè)計(jì)

3.1.2 路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法首先通過(guò)目標(biāo)病房號(hào)road_num進(jìn)行近端病房的判斷，若判斷為近端病房，則直接尋跡至第一個(gè)十字路口，根據(jù)初始門牌號(hào)判斷轉(zhuǎn)彎，更新dir_flag1記錄轉(zhuǎn)彎方向，cnt_crossroad加一記錄檢測(cè)到的十字路口數(shù)量，待貨物卸載后，原路返回檢測(cè)到第二個(gè)十字路口即cnt_crossroad等于2時(shí)，通過(guò)預(yù)先記錄的dir_flag1即可決定轉(zhuǎn)彎方向，進(jìn)而快速準(zhǔn)確的返回初始藥房。若判斷為非近端病房，則直接行駛至第二個(gè)十字路口，中間屏蔽掉第一個(gè)十字路口，若在第二個(gè)十字路口檢測(cè)到目標(biāo)門牌號(hào)，則之后的流程與近端病房一致。若未檢測(cè)到，則進(jìn)入遠(yuǎn)端病房模式，此模式下默認(rèn)需經(jīng)過(guò)兩個(gè)十字路口才可到達(dá)目標(biāo)病房，因此首先記錄cnt_crossroad等于2時(shí)轉(zhuǎn)彎方向dir_flag1，接著記錄cnt_crossroad等于3時(shí)轉(zhuǎn)彎方向dir_flag2，待卸下藥品時(shí)即可檢測(cè)到快速根據(jù)十字路口及轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位返回藥房。路徑規(guī)劃算法的程序流程如圖7所示。

圖7 路徑規(guī)劃算法流程圖設(shè)計(jì)

3.1.3 編碼器互補(bǔ)濾波算法

工業(yè)傳感器測(cè)量過(guò)程中，一階互補(bǔ)濾波算法是比較常用的一種算法。此算法可以有效地濾除掉系統(tǒng)測(cè)量時(shí)引入的高頻噪聲，保留有用的低頻測(cè)量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)所選擇的霍爾編碼器由于在AB相脈沖傳輸過(guò)程中容易受到電機(jī)產(chǎn)生外界高頻磁場(chǎng)干擾，實(shí)際測(cè)量到的速度曲線存在較大的波動(dòng)，因此使用該算法進(jìn)行平滑速度曲線處理。算法的原理是將新的采樣值與上一次的濾波結(jié)果進(jìn)行線性加權(quán)計(jì)算得到新的濾波結(jié)果，算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

y(t)=(1-α)*y(t-1)+α*x(t)

(1)

其中:y(t)為t時(shí)刻的濾波結(jié)果，y(t-1)為上一時(shí)刻的濾波結(jié)果，x(t)為t時(shí)刻的采樣值。α為加權(quán)系數(shù)，通常取接近于0的值，本設(shè)計(jì)中取值為0.02。

實(shí)際應(yīng)用中，該算法對(duì)于速度曲線的改善效果明顯，使得經(jīng)過(guò)互補(bǔ)濾波處理后的速度測(cè)量值可以作為電機(jī)控制算法中的反饋速度幫助機(jī)器人進(jìn)行閉環(huán)控制。

3.1.4 PID電機(jī)調(diào)速算法

傳統(tǒng)的單級(jí)PID控制器是一種線性控制器,對(duì)線性對(duì)象有良好的控制效用[21]。但對(duì)于本文設(shè)計(jì)的具有位置和速度雙變量的送藥機(jī)器人系統(tǒng)難以達(dá)到高效準(zhǔn)確的控制效果。本文系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的串級(jí)PID控制采用位置控制器和速度控制器串聯(lián)工作[22],外環(huán)PID位置控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)PID速度控制器的期望值，由內(nèi)環(huán)PID速度控制器的輸出裝填4路PWM占空比，從而可以對(duì)機(jī)器人的位置及速度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。具體設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 PID算法框架設(shè)計(jì)

PID控制器主要由比例、積分、微分三部分組成，其核心就是對(duì)Kp、Ki、Kd參數(shù)的適當(dāng)選取[23]。作為比例控制系數(shù)的Kp能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，快速減少誤差，但對(duì)于微小誤差沒(méi)有能力將其消除；設(shè)置Ki積分控制系數(shù)能夠?qū)υ谙到y(tǒng)調(diào)整過(guò)程中不斷累計(jì)的誤差進(jìn)行積分，并輸出積分控制量，最終消除靜態(tài)誤差；Kd微分控制系數(shù)則是對(duì)系統(tǒng)變化的趨勢(shì)做出反應(yīng)并超前調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加快系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的速度。

由于在ARM模塊中時(shí)間過(guò)程為離散值，實(shí)際應(yīng)用中PID算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

u(t)=Kp*err(t)+

(2)

其中:u(t)為t時(shí)刻控制的輸出量，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，err(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)的偏差值。

ARM模塊設(shè)置的定時(shí)器控制周期為20 ms。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)建模與多次實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)最終選取的PID系數(shù)如表2所示，其中左右電機(jī)由于響應(yīng)速度的不同，分別設(shè)置了對(duì)應(yīng)系數(shù)。

表2 PID系數(shù)設(shè)置

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法的核心是采用YOLOv3模型來(lái)對(duì)OV2640攝像頭實(shí)時(shí)采集的圖像進(jìn)行處理。首先通過(guò)數(shù)據(jù)集進(jìn)行本地訓(xùn)練，可以得到搭載在K210平臺(tái)上的yolov3.kmodel模型文件。燒錄模型后首先使用kpu.load()函數(shù)加載事先訓(xùn)練好的YOLOv3模型，接著通過(guò)kpu.run_yolo3(img)函數(shù)輸入攝像頭拍攝的244×244分辨率圖像，利用KPU卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算，即可得到識(shí)別的結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的目標(biāo)檢測(cè)概率，對(duì)概率大于0.65的結(jié)果使用紅框進(jìn)行標(biāo)注，左上角增添識(shí)別結(jié)果及目標(biāo)概率。算法流程如圖9所示。實(shí)際運(yùn)用K210平臺(tái)通過(guò)UART串口通信的方式將識(shí)別出的數(shù)字及具體圖像坐標(biāo)點(diǎn)傳送給ARM主控模塊，主控內(nèi)部程序通過(guò)輸入的數(shù)字坐標(biāo)來(lái)推算出具體門牌號(hào)，進(jìn)行道路口方向的選擇和整體的路徑規(guī)劃。實(shí)際門牌號(hào)識(shí)別效果如圖10所示。

圖9 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖

圖10 門牌號(hào)識(shí)別效果圖

3.3 機(jī)器視覺(jué)循跡算法

機(jī)器視覺(jué)尋跡算法核心是通過(guò)OPENMV自帶的圖像處理固件庫(kù)對(duì)OV7725攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行一系列處理，擬合路徑中心坐標(biāo)同時(shí)檢測(cè)有無(wú)十字路口。為了加快每幀圖像的處理速度，該算法首先進(jìn)行ROI(region of interest)圖像感興趣區(qū)域的設(shè)置，由320×240分辨率設(shè)置為200×100分辨率[24]。然后根據(jù)預(yù)設(shè)像素閾值對(duì)改變分辨率后的圖像進(jìn)行黑白二值化處理。由于黑白二值化處理后的圖像邊緣處有不規(guī)則分布的噪點(diǎn)，對(duì)之后的擬合存在顯著影響，因此在擬合直線之前，增加了對(duì)整體圖像的腐蝕、膨脹處理，即通過(guò)卷積運(yùn)算去除掉小的白色噪點(diǎn)之后，再對(duì)原有的白色閾值圖像進(jìn)行補(bǔ)償增寬。最后通過(guò)調(diào)用find_lines()函數(shù)來(lái)擬合圖像中的白色直線，得到道路中心線的相關(guān)參數(shù)。通過(guò)USART串口通信將中心坐標(biāo)(X,Y)傳遞給主控芯片計(jì)算路徑偏移量。實(shí)際運(yùn)行效果如圖11所示。

圖11 算法實(shí)際效果圖

同時(shí)為了適應(yīng)路徑規(guī)劃需求，設(shè)計(jì)了十字路口檢測(cè)算法，首先通過(guò)擬合道路直線后得到上下末尾端點(diǎn)的橫坐標(biāo)x1和x2，如果x1大于等于x2時(shí)，會(huì)在x方向(x2，x1)范圍內(nèi)，y方向(30，130)感興趣區(qū)范圍內(nèi)，逐行橫向遍歷像素點(diǎn)，反之亦然。若發(fā)現(xiàn)白色區(qū)域有橫向延申趨勢(shì)，則判斷為十字路口，并記錄其中心點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。同時(shí)通過(guò)串口發(fā)送特殊幀0XFF及十字路口中心坐標(biāo)告知STM32主控前方存在十字路口。機(jī)器視覺(jué)算法的總體流程如圖12所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試步驟

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于嵌入式的醫(yī)療智能送藥機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)醫(yī)療配送服務(wù)中的可行性，與預(yù)先設(shè)想的效果進(jìn)行對(duì)比，分別模擬實(shí)際的醫(yī)療環(huán)境對(duì)近端病房、中端病房、遠(yuǎn)端病房進(jìn)行測(cè)試，具體步驟如下：

1)進(jìn)行初始門牌號(hào)識(shí)別。

2)搭載貨物進(jìn)行運(yùn)送。

3)到達(dá)指定門牌號(hào)后進(jìn)行貨物卸載。

4)卸載貨物后返回初始藥房處。

在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察機(jī)器人運(yùn)行的實(shí)際效果，記錄一輪配送運(yùn)行時(shí)間。模擬試驗(yàn)總計(jì)分為三輪，一輪近端(1,2號(hào)病房)，一輪中端(3,4號(hào)病房)，一輪遠(yuǎn)端(5,6,7,8號(hào)病房)。其中1，2號(hào)近端病房位置固定，用來(lái)進(jìn)行測(cè)試基礎(chǔ)功能的完備性。3～8號(hào)中端及遠(yuǎn)端病房位置隨機(jī)，用來(lái)模擬實(shí)際醫(yī)療環(huán)境中的病房配送任務(wù)。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

由表2可知，近端病房配送一次藥物的時(shí)間均值為14.37 s，且每次時(shí)間波動(dòng)變化不大，可以看出近端病房配送運(yùn)行穩(wěn)定。

表2 近端病房測(cè)試結(jié)果

由表3可知，中端病房配送藥物的時(shí)間均值較近端病房增加了6.22 s，但時(shí)間波動(dòng)仍然較小，因此中端病房任務(wù)同樣運(yùn)行穩(wěn)定。

表3 中端病房測(cè)試結(jié)果

由表4可知，遠(yuǎn)端病房由于配送的距離較長(zhǎng)，每次配送任務(wù)完成的時(shí)間上存在著較大差異，但是最多不超過(guò)29 s，且每次配送任務(wù)都能完成，因此相對(duì)滿足現(xiàn)實(shí)中醫(yī)療服務(wù)的需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。機(jī)器人實(shí)際配送過(guò)程如圖13所示。

表4 遠(yuǎn)端病房測(cè)試結(jié)果

圖13 機(jī)器人配送實(shí)物過(guò)程

綜上所述，該機(jī)器人工作過(guò)程較為穩(wěn)定可靠，能夠完成在不同距離病房間的日常配送任務(wù)，滿足醫(yī)療配送機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。但是在長(zhǎng)距離的配送服務(wù)中，每次配送時(shí)間還是存在一些差異，之后可以通過(guò)加入TF測(cè)距雷達(dá)、改進(jìn)PID控制算法等方法進(jìn)一步改善機(jī)器人的工作性能，滿足復(fù)雜場(chǎng)合下的配送任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)無(wú)論是在專業(yè)的醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域還是在人們的日常藥物配送活動(dòng)中，特種醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)都將發(fā)揮巨大的作用，幫助人們緩解極端情況下人力資源的緊張，使之在更好的地方發(fā)揮價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的一種用于醫(yī)療服務(wù)的智能送藥機(jī)器人,通過(guò)結(jié)合OPENMV提供的機(jī)器視覺(jué)尋跡及K210提供的數(shù)字門牌號(hào)識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)路徑的實(shí)時(shí)規(guī)劃，識(shí)別初始的送藥病房號(hào)，進(jìn)而把所需要的藥物送至目標(biāo)病房。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，機(jī)器人的各項(xiàng)功能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的效果，且在任務(wù)執(zhí)行時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定。目前該醫(yī)療機(jī)器人可以單獨(dú)工作，將來(lái)考慮加入組隊(duì)聯(lián)網(wǎng)算法，以便進(jìn)一步擴(kuò)展其業(yè)務(wù)服務(wù)功能。