ROS移動醫療服務機器人的定位設計實現

宋凱倫 喻 恒

（平頂山學院信息工程學院，河南 平頂山 467000）

0 引言

隨著現在經濟的發展，服務機器人也逐漸出現在我們的視野中，也發展到各個場所，如醫療場所、服務場所、生活場所、維護場所等[1]。當前社會醫護人員的工作繁重，工作環境存在感染風險，醫療服務機器人特別是易感染場所的服務機器人的研究可以很大程度上解決這個問題[2]。目前，我國智慧醫療服務機器人仍然處于發展階段，移動醫療服務機器人主要針對的是機器人的移動定位避障、手臂控制、零半徑轉彎、語言播報、身份識別等。愈來愈多的科研機構和公司企業開始著手智慧醫療服務機器人的研究。

結合現在一些比較先進的專業技術，采用一些較為貼近生活化的設計理念，我們設計的智慧醫療服務機器人，運用ROS機器人自主導航[3]、樹莓派的語音播報、二維碼（條形碼）的掃描、遠程通信（控制）、舵機的控制、智慧醫療機器等技術。

該機器人為自主控制機器人，以樹莓派作為主控，結合ROS系統機器人、智慧醫療機實現，具有模擬醫生護士查房、送藥、檢查病人各項體征等功能。實現了模擬醫生或者護士對病人進行查房、簡單體征監測等，該項目可以有效緩解醫護人員繁重的工作，也可降低易感染病房護理人員的工作風險。

1 ROS系統應用

ROS的系統結構設計也頗有特色，ROS運行時是由多個松耦合的進程組成，每個進程ROS稱之為節點（Node），所有節點可以運行在一個處理器上，也可以分布式運行在多個處理器上。在實際使用時，這種松耦合的結構設計可以讓開發者根據機器人所需功能靈活添加各個功能模塊。

ROS的設計者考慮到各開發者使用的開發語言不同，因此ROS的開發語言獨立。除了官方提供的功能包之外，ROS還聚合了全世界開發者實現的大量開源功能包，如思嵐科技（SLAMTEC）就發布了針對其自主研發的激光雷達RPLIDAR的ROS功能包RPLIDAR_ROS。這些開源功能包與ROS一起構成了強大的開源生態環境[4-5]。

2 移動醫療服務機器人硬軟件設計

移動醫療機器人的整體設計[6-7]包括導航模塊、交互模塊和測量模塊三個部分，具體功能設計如圖1所示。

2.1 硬件設計

2.1.1 導航模塊

系統主要運用ROS機器人來實現自主導航[8]，自主導航中自動避障是通過激光雷達來實現。激光雷達可以給附近的障礙物發出激光束，將反射回來的信號收集并通過RVIZ（ROS的3D可視化工具）顯示出來，得到障礙物的大致分布，從而實現自動避障。在ROS機器人map_tools工具中來增加需要遍歷的航點，ROS機器人通過激光雷達對這些航點進行自主規劃路線，以此來到達指定航點。

2.1.2 交互模塊

交互模塊主要運用的是樹莓派（微型電腦），樹莓派運用的是Linux系統，通過條碼掃描器掃描條碼得到藥物信息，以此來判斷床號，通過樹莓派的通信功能，給各個功能模塊發送命令，從而進行語音播報，同時對應床號的舵機啟動，打開藥箱。病人取藥后可以進行音視頻交流。

2.1.3 測量模塊

此模塊主要運用智能醫療來進行測量，基于安卓系統，通過藍牙通信傳輸測量的心率、體溫、血壓等數據到手機App上，從而達到測量病人體征的目的。

圖1 移動醫療機器人設計框圖

2.2 軟件設計

2.2.1 導航模塊

ROS機器人自動導航程序中，首先編寫運動Node即設置運動時的速度，及自身的直徑。然后進行SLAM建圖，通過激光雷達對現場的狀況進行掃描，會自動標注出障礙點、靜態障礙物的輪廓等，可以實時建出一個可行性高的圖。接下來是Navigation導航，啟動RVIZ，機器人模型會出現在之前建好的圖中，可以設置起始點及到達目標行點后ROS機器人的朝向。在map tools工具中添加需要遍歷的航點，輸入命令啟動Rviz，在初始建好的圖中設置航點，可以在航點后設置延時，ROS機器人會根據設置好的航點自動規劃路線，到達目標航點會完成相應的指令，并和樹莓派進行通信把指令發送，進而讓樹莓派進行其他步驟，在行走過程中會自動避障，到達最終目標行點后會自動停止。導航軟件設計流程如圖2所示。

2.2.2 交互模塊

樹莓派通過調用GPIO庫，藍牙庫等對舵機、病人體征檢測設備、USB攝像頭進行控制。通過麥克風提前錄音進行語音播報，定義語音1和語音2方便調用。在ROS機器人距離病人床頭的距離小于50 cm時打開攝像頭進行條碼掃描。通過條碼內容的比較判斷為幾號病床并進行相應的語音播報并打開對應藥箱。然后通過藍牙模塊打開病人體征檢測設備對病人進行心率血壓等體征檢測，同時接受ROS機器人發來的信號做出相對于的檢測。交互模塊程序流程設計如圖3所示。

圖2 導航模塊軟件設計流程

圖3 交互模塊程序流程設計

2.2.3 測量模塊

當接收到樹莓派通過交互模塊正確識別病人后發出信號，檢測設備開始工作，并將監測數據通過串口發回樹莓派。檢測設備分別有體溫、心率、血壓等基本測量模塊，測量設備采用已有常用的數字測量模塊，連接主控設備串口通信，程序主要使用簡單的串行通信即可。

3 系統調試

在調試的過程中也分為三個模塊。測量模塊、導航模塊、交互模塊。由于每個模塊需要測試標準的不同，測試要求也不一樣，因此，對對應不同的功能模塊設置不同的測試方法，使測試結果更具說服性和準確性。

3.1 導航模塊測試

導航模塊主要是測試路徑是否能自主規劃路線和自動避障及能否到達指定航點；每次測試結束后記錄導航的準確次數和不準確次數，進行系統的計算分析實現對導航模塊的測試。

導航模塊的測試結果如表1所示。

表1 導航模塊測試結果

測試過程中失敗的原因為：設置航點時鼠標沒有固定好，導致航點有誤差。導航有效率大于95%，所以導航模塊基本能實現。

3.2 交互模塊測試

交互模塊主要是測試掃描條碼能否出來正確的數據并正確的語音播報打開相對應的藥箱；每次測試結束后記錄能否正確語音播報及打開藥箱，進行系統的計算分析實現對交互模塊的測試，交互模塊的測試結果如表2所示。

表2 交互模塊測試結果

測試結果正確識別語音并作出控制的有效率超98%，失敗的原因為環境噪聲干擾，這需要進一步提高硬件抗噪能力，但是考慮到醫院環境的噪聲一般都比較小，因此，測試結果顯示系統可以有效地實現語音交互控制。

3.3 測量模塊測試

測量模塊主要是測試智能醫療能否準確地測量出病人的心率、體溫、血壓。基于智慧醫療小車的測試；每次測試結束后記錄能否準確測量出病人的三項體征，進行系統的計算分析實現對測量模塊的測試。測量模塊的測試結果如表3所示。

表3 測量模塊顯示結果

測試過程中失敗的原因為：室內溫度不穩定，以及智慧醫療機器電壓不穩定，測量有效率大于95%，所以測量模塊基本能實現。

4 結語

本文根據移動醫療服務機器人的特點涉及一種基于ROS系統移動醫療服務機器人，該系統適用于醫院、病診所等室內自主導航、語音交互、體征測量等功能。系統測算簡單，響應快速、移動準確。可以通過顯示器實時觀察出機器人的當前位置信息，可以根據規定好的下一個路徑坐標進行方位姿態和移動動作調整，實現機器人自主導航。同時可實現病床識別、人機語音交互以及簡單的查房體征檢測，可以有效減輕醫護人員的工作量，同時為感染病房的護理工作提供了一個安全有效的方案。