基于機器視覺手勢識別的智能翻身病床

摘 要：長期臥病在床的病人如果經常保持同一個姿勢躺著，很容易引起壓瘡等一系列衛生問題，因此經常需要醫護人員幫助病人翻身清洗背部。但由于醫護人員和家人的疏忽，病人常常會因不能及時得到照顧而在心理和身體上感到不適。為了減輕監護人員的壓力，使用Arduino控制和OpenCV以及MediaPipe機器視覺學習中的Hands手勢識別控制設計了一種能夠實現自動翻身的智能病床。這種病床不僅可以讓監護人員通過藍牙通信遠程控制病床，還可以讓病人自己使用手勢控制病床幫助自己翻身。這將使半自理病人能夠在住院期間獲得更多的照顧，從而更快恢復。經過測試，設計的功能基本能夠滿足病人日常護理的需要，為智能病床的設計提供了新的思路。

關鍵詞：Arduino；OpenCV；MediaPipe；機器視覺；手勢識別；智能翻身病床

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-0-04

0 引 言

我國老年人數量已達總人口的10.46%左右，其中有80%～90%老年人患有各種慢性病，而臥床不起者占到老年人總數的3%左右[1]。家庭病床可作為醫院床位的補充，代替一部分醫療和專科服務，從而緩解醫院床位緊張的情況，避免交叉感染，有利于醫療保險與預防保健[2]。據調查顯示，床表用品管理和床的傾斜角度調整是護理工作中2個最具挑戰和最耗時的環節。由于人為錯誤和疏忽，病人極易出現壓瘡等衛生問題。如果不能及時幫助病人翻身和清理，將會讓病人受到心理和身體上的雙重折磨。因此，開發一種能夠自動幫助病人翻身的病床是十分有必要的。

在機器視覺領域主要研究如何利用計算機模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取、處理并理解信息，相應成果已被廣泛應用于實際檢測、測量和控制等領域[3]。基于機器視覺的手勢識別是實現新一代人機交互的關鍵技術[4]。文獻[5]實現了用手勢控制調節音量的功能，文獻[6]利用手勢識別技術開發了視力檢測系統，文獻[7]研制出了手勢控制的娛樂機器人，文獻[8]設計了手勢識別門禁等。本文基于機器視覺手勢識別原理，結合藍牙通信技術，設計了一款智能翻身病床，用戶只需簡單的手勢就能控制電動推桿，實現病床位姿的調整。

本文所設計的智能翻身病床對于半自理病人而言，能夠通過自主調節病床的傾角來達到最舒適的角度。這種方式在很大程度上減輕了監護人的工作負擔，而基于機器視覺的新型手勢識別方式為病人的生活增添了一份樂趣，有助于增強他們對生活的信心，促進身體康復。

1 病床設計

1.1 整體設計

病床系統所用的電子器件包括Arduino UNO開發板、電機正反轉控制器、電動推桿、電源、藍牙模塊HC-05、振動傳感器模塊、角度傳感器模塊、蜂鳴器以及若干杜邦線。病床主體由鋁材棒、木板以及通過3D打印制作的連接件組成。利用合適長度的切割鋁材棒、螺絲以及鋁制連接件搭建病床的骨架部分，并將木板作為病床的床板。為了能夠支撐病人的體重，選用了一款供電電壓12 V、推力800 N，且推動距離在10～50 mm的電動推桿。這些組件通過組合，最終實現了幫助病人翻身的功能。病床的結構模型如圖1所示。

1.2 信號傳輸設計

Arduino是一個便捷的微控制器，它小巧且易于使用，能夠外接多種單片機接口[9]。對于控制電動推桿的正反轉這一主要功能以及其他輔助功能來說，無需復雜的代碼，因此選用Arduino UNO開發板在實現所需功能的同時還能有效降低成本。

本系統選用HC-05藍牙模塊來實現串口之間的無線通信。該模塊連接TX和RX引腳，支持使用標準AT命令。用戶在啟動時進入特殊命令模式，然后啟動數據模式，從而進入無線通信狀態。系統工作時，波特率為9 600 b/s，藍牙穩定傳輸信息。該模塊具有性價比高、靈敏度高、易于開發等優點[10]。藍牙模塊可與智能手機建立連接，實現Arduino UNO開發板與智能手機的雙向通信[11]，監護人能夠通過手機遠程控制病床翻轉。

1.3 功能設計

（1）遠程控制。通過藍牙模塊與手機藍牙調試器通信，用戶可以控制病床的翻轉、呼叫等功能，并能及時反饋病人的需求。

（2）智能手勢檢測控制翻身。使用電腦進行手勢識別，并通過Arduino開發板進行串口通信，從而控制病床翻轉。

（3）智能檢測異常狀況。將振動傳感器和角度傳感器用于監測病人的異常情況，如果病人或被子意外從床上掉落，開發板會向蜂鳴器發送信號，觸發蜂鳴器報警，提醒護士或監護人及時處理。

1.4 功能說明

本文所設計的智能翻身病床可以通過2種方式驅動：藍牙通信和串口通信。

采用藍牙通信時，首先開啟智能手機上的藍牙調試器搜索名為“藍牙模塊”的設備。點擊連接后，使用者便可以通過智能手機上的藍牙調試器實現人機交互。例如，在智能手機上輸入指令“1”，Arduino相應的端口會發送低電平信號，由低電平信號驅動的推桿便開始工作。當輸入“2”時，推桿則停止運轉。通過設置命令來控制某一端口的高低電平變化，從而實現對應功能。電路的工作電壓范圍為3～12 V。

采用串口通信時，將電腦攝像頭與Arduino共用同一個端口進行輸入和輸出。例如，電腦讀取到“左上”的圖像信號時，PyCharm會通過串口將該信號傳送給Arduino開發板。在這個過程中，開發板上的某一端口會觸發高低電平，進而實現相應功能。

2 電路設計

將藍牙模塊、電機正反轉控制器、傳感器模塊、蜂鳴器的引腳分別與Arduino UNO的串口建立連接，電路仿真如圖2所示。

2.1 電動推桿

電動推桿兩頭各有一個行程限位開關，伸縮桿運行到末端或者頂端后會自動斷電。電動推桿不會空轉燒機，任意位置切斷電源也可以停在當前位置。電動推桿在正反轉時，推桿做伸縮運動而非旋轉。

2.2 電機正反轉控制器

電機控制器可有效控制電動推桿實現正反轉轉動，同時通過低電平觸發方式，可以保護所連接的元器件免受損壞。若正轉端口接收到低電平信號，則連接的電動推桿開始正轉；反轉端口接收到低電平信號，則電動推桿開始反轉。當輸入高電平時，電動推桿停止轉動。

2.3 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化的電子訊響器，采用直流電壓供電。蜂鳴器在較低的電壓下啟動，可以保護電路。當傳感器模塊檢測到異常時，便會向蜂鳴器輸送低電平信號觸發報警。

2.4 振動傳感器

振動傳感器模塊是一種測量振動的傳感器。它能感知振動情況，并將其轉化為電信號或數字信號，以便進行記錄和處理。當其應用在病床時，如果檢測到床上有異常振動，例如病人摔落床下，將會觸發蜂鳴器報警。

2.5 角度傳感器

角度傳感器模塊是一種測量角度的傳感器。當它感受到病床異常傾斜時，也會觸發蜂鳴器報警。

2.6 3D打印件

在設計病床時，電動推桿的最短距離（未伸長時）必須小于或等于上下木板間的距離，使用3D打印件來補足剩余的長度。將電動推桿固定在病床位置的三分之二處，使其作用于病人的腰部位置。通過這種方式，電動推桿能夠正常驅動病床翻轉，同時確保病人在使用過程中的舒適性。

3 手勢識別設計

3.1 機器視覺識別系統

本文采用OpenCV和MediaPipe Hands算法對手勢進行捕捉，進而將識別到的手勢轉化為對病床的控制。MediaPipe作為一個集成的機器視覺算法工具庫，可以識別手上的21個關鍵點的信息坐標以及手指遮擋部分[12]。使用Arduino IDE編寫Arduino開發板對端口的控制代碼，并在PyCharm上設計手勢識別代碼，具體的代碼設計思路如圖3所示。

本文的機器視覺識別系統包括1個USB工業攝像頭和1臺筆記本電腦。在電腦上編寫代碼驅動攝像頭進行實時識別，電腦進行判斷之后會將識別到的結果通過串口傳送出去。

3.2 手勢設置

考慮到病人可能難以做出大幅度和難以記憶的手勢，本文根據人類的生活習慣，特別設置了通過左右手來控制病床翻轉的功能。在系統獲取圖像中的手部關鍵幀后，獲取大拇指、食指和中指的坐標位置。通過分析3者之間的關系，設計了5種手勢用于控制病床的翻轉和暫停功能。

（1）左上，當食指橫坐標大于中指橫坐標且食指縱坐標大于中指縱坐標時，對應病床會向左上翻轉，在實際動作中對應為左手自然放置橫于胸前。

（2）左下，當大拇指的橫坐標小于食指橫坐標且食指縱坐標大于中指縱坐標時，對應病床會向左下翻轉，在實際動作中對應為左手自然放置于大腿處。

（3）暫停，當大拇指橫坐標大于食指且中指縱坐標大于食指縱坐標或大拇指橫坐標小于食指橫坐標且中指縱坐標大于食指縱坐標時，對應病床暫停在當前位置，在實際動作中對應為左手或右手面向攝像頭攤開。

（4）右上，當食指橫坐標小于中指橫坐標且食指縱坐標大于中指縱坐標時，對應病床會向右上翻轉，在實際動作中對應為右手自然放置橫于胸前。

（5）右下，當大拇指的橫坐標大于食指橫坐標且食指縱坐標大于中指縱坐標時，對應病床會向右下翻轉，在實際動作中對應為右手自然放置于大腿處。

文中設計的5種手勢按照介紹順序從左往右如圖4所示。

3.3 識別測試

抽選不同的人進行手勢識別測試，以評估在醫院面對不同病人時系統的識別準確率。本次測試涵蓋了5種不同的手勢識別情況，并選擇十多個人前來測試。測試結果見表1。

表1反映了對左上和左下識別準確率略低于對右上和右下的識別準確率。分析原因，可能是由于測試者大多數習慣使用右手。當固定好攝像頭識別躺在床上的人時，發現無論是對左手還是右手的識別精度均大大提高，因此認為本文設計的系統是可行的。

3.4 其他說明

（1）工業相機是實現機器視覺的重要組成部分，但其使用時有可能會引發病人對隱私泄漏的擔憂。可以從以下兩方面解決：第一，提前告知病人此攝像頭不具備視頻保存功能，以減輕病人的心理負擔；第二，可以對攝像頭進行適當偽裝，如裝飾成日常用品等，以減輕病人的不適感。

（2）在進行手勢識別時，病患只需按照說明輕松將手擺放好，即可順利翻身。在使用過程中應避免攝像頭識別到其他人的手，否則將會對識別效果產生一定影響。

（3）如果病患想關閉視覺識別功能，可以選擇在電腦上關閉程序，或者讓攝像頭連續識別到“暫停”的手勢5 s，視覺識別功能會自動退出。

（4）為避免因機器視覺功能使用不當造成的困擾，在病人期望使用手勢操控病床后，需要得到家人或醫護人員的允許，并在他們的監督之下才可以使用。

4 結 語

本文采用機器視覺進行手勢識別，由藍牙系統作為輔助，以操控病床翻轉，幫助病患翻身。實驗結果表明，該系統識別準確度高，操控簡單。對于半自理病人來說可以自己調節病床，對于不能自理的病人可以由家人或護士代為調節，顯著減少了監護人的工作量，及時滿足病人的需求。此病床能夠有效預防壓瘡和其他呼吸道疾病的發生，有助于病人的身心健康。本文設計的病床為國內的醫療器械領域提供了一種創新，給病患帶來了福音。

參考文獻

[1]張藝瀠，王嘉淇，杜寧，等.我國家庭病床的發展狀況及對策探討[J].黑龍江醫藥科學，2009，32（5）：69-70.

[2]王存亮，梁萬年.家庭病床作用、管理和存在問題的分析[J].中國全科醫學，2002（3）：206-208.

[3]段峰，王耀南，雷曉峰，等.機器視覺技術及其應用綜述[J].自動化博覽，2002（3）：62-64.

[4]任海兵，祝遠新，徐光，等.基于視覺手勢識別的研究綜述[J].電子學報，2000（2）：118-121.

[5]梁瑞.基于手勢識別的設備音量控制系統的研究與實現[J].家電維修，2023（11）：52-55.

[6]李昌鋒，童文琴，林蔚.基于動態手勢跟蹤算法的視力檢測系統設計[J].醫療衛生裝備，2023，44（7）：27-33.

[7]潘言心，吳涓，朱興隆，等.三維骨骼特征融合技術在娛樂機器人系統上的應用[J].測控技術，2023，42（12）：11-17.

[8]張斌，徐榕澤，龐昊，等.基于STM32的非接觸式手勢識別門禁設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2023，23（7）：84-87.

[9]魯志偉，閆金萌.基于Arduino的智能家居無線控制系統設計與實現[J].通信與信息技術，2023（2）：13-16.

[10]王康，王奧宇，司一鳴.智能養老床設計[J].物聯網技術，2023，13（12）：135-138.

[11]吳斌，胡勇虎，趙文建.融合物聯傳感的HPLC和藍牙雙模通信系統[J].物聯網技術，2023，13（11）：50-54.

[12]武洪萍，王聰，張磊，等.基于MediaPipe與機器學習模型融合的手勢識別框架[J].信息與電腦（理論版），2023，35（10）：176-179.

基金項目：國家級大學生創新創業訓練項目（202310376028）

作者簡介：趙宗耀（2004—），男，就讀于皖西學院光電信息科學與工程專業。

鳳梓承（2003—），男，就讀于皖西學院光電信息科學與工程專業。

趙子言（2000—），男，就讀于皖西學院光電信息科學與工程專業。

周 軍（1977—），男，博士，教授，研究方向為光學。