基于STM32的看護(hù)服務(wù)機(jī)器人裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范敬珂 劉師沛 臧百永 楊成玲 王成寶

(重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400074)

人口老齡化逐漸成為全球共同面臨的一個(gè)社會(huì)問(wèn)題,根據(jù)全國(guó)老齡工作委員會(huì)的預(yù)測(cè),到2050年,我國(guó)老齡人口比例將會(huì)達(dá)到28%,老年人的人數(shù)將有可能達(dá)到4.8 億[1],成為全球老年人人口最多的國(guó)家,養(yǎng)老問(wèn)題日益嚴(yán)重。據(jù)估計(jì),到2030年,中國(guó)對(duì)老年護(hù)理人員的總需求將從577.1 萬(wàn)增加到1624.68萬(wàn)。由于工作量大、工資低,尋找家庭保姆和護(hù)理機(jī)構(gòu)工作人員變得困難[2]。

“智能養(yǎng)老”這一概念最早是由英國(guó)生命信托基金會(huì)提出的,后來(lái)人們將這一理念用于全智能老年系統(tǒng),這種養(yǎng)老體系為智能養(yǎng)老時(shí)代帶來(lái)巨大的福音,也勾勒出良好的開(kāi)端[3]。比如,日本的護(hù)理機(jī)器人RIBA-II,為搬運(yùn)病人而設(shè)計(jì),能將喪失行動(dòng)能力的病人從地上或輪椅上搬運(yùn)到病床上。但其功能單一,不夠人性化,服務(wù)對(duì)象也具有很大的局限性[4]。還有一類(lèi)看護(hù)機(jī)器人是注重精神陪伴的,比如機(jī)器人Elli.Q,它利用仿人類(lèi)的肢體語(yǔ)言、聲音等維度,與用戶(hù)進(jìn)行互動(dòng),運(yùn)用人工智能技術(shù)主動(dòng)學(xué)習(xí)用戶(hù)的愛(ài)好、行為和個(gè)性,根據(jù)用戶(hù)的特征為其推薦適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)[5]。但其缺點(diǎn)就是不能為老人提供身體上的幫扶,更多的是作為精神伴侶。我國(guó)有關(guān)智能養(yǎng)老的機(jī)構(gòu)雖然匱乏,但人工智能技術(shù)的高速發(fā)展,也逐漸在填補(bǔ)缺口。

我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的此款機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)或家居環(huán)境內(nèi)自主導(dǎo)航、語(yǔ)音識(shí)別、信息存儲(chǔ)、人員搭載、物品運(yùn)輸、生命體征監(jiān)測(cè)以及每日定時(shí)供藥等日常看護(hù)工作。機(jī)器人可以在工作區(qū)域的安全運(yùn)行,通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)老人的生命體征、周?chē)h(huán)境等信息并反饋于主控制器進(jìn)行處理。并且通過(guò)語(yǔ)音交互功能實(shí)現(xiàn)與老人的簡(jiǎn)單溝通更加人性化地服務(wù)老人、方便醫(yī)護(hù)人員。除此之外,機(jī)器人體內(nèi)設(shè)計(jì)有自動(dòng)供藥裝置,定時(shí)向老人提供配好的藥物,避免老人忘吃藥或吃錯(cuò)藥的情況發(fā)生,這款看護(hù)機(jī)器人能夠減少醫(yī)護(hù)人員的工作量。

1 系統(tǒng)概述

機(jī)器人功能模塊包括電源模塊、自動(dòng)供藥模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、心電監(jiān)測(cè)模塊、語(yǔ)音交互模塊和圖像采集模塊。智能看護(hù)機(jī)器人在運(yùn)行狀態(tài)中的各個(gè)功能模塊均由電源模塊分別進(jìn)行供電,通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、圖像采集及傳感器等模塊接收外界輸入信息并匯入主控制器進(jìn)行分析處理,隨后由主控制器對(duì)運(yùn)動(dòng)控制、語(yǔ)音交互、藥物投放、心率監(jiān)測(cè)等功能模塊進(jìn)行控制,整體工作框圖如圖1所示。

圖1 智能看護(hù)機(jī)器人工作框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括自動(dòng)供藥模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、心電監(jiān)測(cè)模塊、語(yǔ)音交互模塊,本文著重介紹自動(dòng)供藥模塊。

2.1 自動(dòng)供藥模塊

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)供藥模塊整體設(shè)置在機(jī)器人主體內(nèi)部,可以分為兩部分,一是位于上端的呈圓形分布的藥盒組,二是位于下端的無(wú)上底面的圓柱形藥物托盤(pán)與設(shè)置在機(jī)器人體外的出藥口,兩者通過(guò)位于圓心的主軸相連接。藥盒組由多個(gè)自動(dòng)化控制藥盒連接至主軸構(gòu)成,每個(gè)藥盒都是獨(dú)立的,可以依據(jù)不同的使用情況隨時(shí)從主軸上安裝或取下。圓柱形藥物托盤(pán)底部半徑略大于呈圓形分布的藥盒組的半徑,且其側(cè)面的高高于上方的藥盒組,同時(shí)下底面以一定的角度傾斜,底面的低端通過(guò)管道連接至出藥口。此構(gòu)造能保證托盤(pán)能接受藥盒中掉落的藥品并使其滑動(dòng)至出藥口,出藥口放置一個(gè)置物小盒,通過(guò)電磁鎖扣與出藥口連接,可防止小盒因意外從出藥口上掉落,同時(shí)當(dāng)全部藥物都滑至藥盒中后斷電,使用者才可以取下小盒,服用藥丸,以保證無(wú)藥物遺漏。

2.1.2 自動(dòng)化控制藥盒與主軸結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化控制藥盒通過(guò)外部連接裝置與主軸相連,主軸中包含了控制器、存儲(chǔ)器、電源、藍(lán)牙模塊等核心器件。每個(gè)自動(dòng)化控制藥盒的一側(cè)都有由特殊的滑軌構(gòu)成的物理連接模塊,可以與主軸上相對(duì)應(yīng)的滑軌凹槽相連接,同時(shí)滑軌上設(shè)置有充電觸點(diǎn),物理連接建立的同時(shí)通過(guò)觸點(diǎn)為藥盒內(nèi)設(shè)置的電池模塊充電,主軸與自動(dòng)化控制藥盒通過(guò)藍(lán)牙模塊相連接,可識(shí)別藥盒及其內(nèi)部藥物相關(guān)信息,并將信息存貯在主軸內(nèi)部的存儲(chǔ)器中。

自動(dòng)化控制藥盒內(nèi)部包含藥丸儲(chǔ)藥倉(cāng)和傳送管道兩部分,見(jiàn)圖2、圖3。藥丸儲(chǔ)藥倉(cāng)呈漏斗狀可通過(guò)底部開(kāi)口能自動(dòng)調(diào)節(jié)的出藥口大小,出藥口連接傳送管道入口。藥丸掉落在設(shè)有傳送帶與等間距的豎直隔斷的環(huán)形傳送管道的傳送帶上,環(huán)形傳送管道除進(jìn)出口以外全程密封,主要由齒輪、履帶、隔板以及外部管道構(gòu)成。以定時(shí)程序通過(guò)控制電機(jī)帶動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn),使藥丸通過(guò)傳送帶運(yùn)輸至管道的出口,然后掉落在下方的圓柱形藥物托盤(pán)中。同時(shí)在環(huán)形傳送管道的出入口都設(shè)有紅外傳感器,以檢測(cè)藥物是否正常掉落和掉落的數(shù)量是否正確。

圖2 自動(dòng)化控制藥盒藥丸儲(chǔ)藥倉(cāng)示意圖

圖3 傳送管道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 心電監(jiān)測(cè)模塊

心電監(jiān)測(cè)模塊能由STM32芯片、心電采集傳感器ad8232以及單導(dǎo)聯(lián)線(三個(gè)電極)構(gòu)成,能夠模擬心電監(jiān)測(cè)并在心率異常時(shí)報(bào)警的功能。我們平時(shí)在醫(yī)院見(jiàn)到的心電圖所用的導(dǎo)聯(lián)線為十二導(dǎo)聯(lián),使用起來(lái)較為復(fù)雜,不適用于全天貼身監(jiān)測(cè)。而單導(dǎo)聯(lián)線由三個(gè)電極構(gòu)成,使用時(shí)貼在心臟附近的指定位置,測(cè)量的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2.3 語(yǔ)音交互模塊

語(yǔ)音交互模塊可模擬語(yǔ)音控制電燈、風(fēng)扇、電視機(jī)等家用電器的功能。用戶(hù)需要呼喚“看護(hù)機(jī)器人”來(lái)跟其對(duì)話(huà),我們?cè)O(shè)置了四種情景:一是“開(kāi)燈”,當(dāng)機(jī)器人聽(tīng)到該指令后就會(huì)執(zhí)行開(kāi)燈的動(dòng)作；二是“查詢(xún)天氣”,當(dāng)機(jī)器人聽(tīng)到該指令后會(huì)告知用戶(hù)明日的天氣；三是“打開(kāi)風(fēng)扇”,當(dāng)機(jī)器人聽(tīng)到該指令后會(huì)啟動(dòng)電機(jī)(電機(jī)上有電扇片),達(dá)到打開(kāi)風(fēng)扇的效果；四是“打開(kāi)電視”,當(dāng)機(jī)器人聽(tīng)到該指令后會(huì)啟動(dòng)LED屏,達(dá)到打開(kāi)電視的效果；關(guān)閉的指令和達(dá)到的效果與上述類(lèi)似,不再贅述。語(yǔ)音識(shí)別模塊原理框圖如圖4。

圖4 語(yǔ)音交互模塊原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波避障程序設(shè)計(jì)

超聲波避障軟件程序主要由主程序、定時(shí)子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序組成,開(kāi)始之初定時(shí)器示初始化,打開(kāi)中斷允許,啟動(dòng)超聲波模塊,再收到回波信號(hào)繼而計(jì)算距離驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向,其避障主要算法流程圖如圖5所示。

圖5 超聲波避障程序框圖

3.2 心電監(jiān)測(cè)裝置程序設(shè)計(jì)

心電監(jiān)測(cè)裝置主要完成下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的收集和保存、利用下位機(jī)傳輸?shù)男畔⒁约皬奈募凶x取的數(shù)據(jù)進(jìn)行心電波形繪制、保存心電波形的特點(diǎn)等功能。在檢測(cè)的過(guò)程中,若電壓值持續(xù)下降且逼近0,則立即發(fā)出報(bào)警信號(hào),算法流程圖如圖6所示。

圖6 心電監(jiān)測(cè)裝置程序框圖

3.3 語(yǔ)音交互模塊程序設(shè)計(jì)

智能看護(hù)機(jī)器人的語(yǔ)音交互設(shè)計(jì)可以大大提高機(jī)器人的工作效率,其主要程序包括語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音理解和語(yǔ)音合成。初始化語(yǔ)音識(shí)別模塊時(shí),看護(hù)人處于待機(jī)狀態(tài)以便監(jiān)聽(tīng)語(yǔ)音輸入。當(dāng)成功獲取語(yǔ)音信息時(shí),判斷是否為有效語(yǔ)音識(shí)別,在有效語(yǔ)音識(shí)別的情況下將輸入的語(yǔ)音消息映射為語(yǔ)音消息指令,即向下位機(jī)發(fā)送控制指令。其主要控制算法的流程圖如圖7所示。

圖7 語(yǔ)音交互模塊程序框圖

3.4 自動(dòng)供藥系統(tǒng)測(cè)試

在傳送管道入口處和傳送管道出口處都設(shè)有紅外傳感器,若有藥物落下,屆時(shí)電平升高。如圖8所示,傳送管道入口處的紅外傳感器檢測(cè)到藥物下落,電壓升高,0.5 秒之后傳送管道出口處檢測(cè)到藥物順利傳出,后續(xù)的藥物間隔2秒后相繼被檢測(cè)到順利送出,未出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象。

圖8 傳送管道紅外檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

看護(hù)服務(wù)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)自主導(dǎo)航、語(yǔ)音識(shí)別、信息存儲(chǔ)、人員搭載、物品運(yùn)輸、生命體征監(jiān)測(cè)以及每日定時(shí)供藥等日常看護(hù)工作。機(jī)器人內(nèi)置強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)查詢(xún)系統(tǒng),快速地獲取老人的基本信息,方便醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)查詢(xún)每位老人的床位和健康狀況。機(jī)器人身體前后裝有電磁鎖扣,可與輪椅及踏板相連接,隨時(shí)變身成為老人和醫(yī)護(hù)人員的代步工具。機(jī)器人還能夠通過(guò)智能手環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的生命體征,如有異常則可快速地反饋給醫(yī)生,呼叫醫(yī)護(hù)人員及時(shí)救治。機(jī)器人體內(nèi)設(shè)計(jì)有自動(dòng)供藥裝置,定時(shí)向老人提供配好的藥物,避免老人忘吃藥或吃錯(cuò)藥的情況發(fā)生。

在智能養(yǎng)老的大趨勢(shì)下,該看護(hù)服務(wù)機(jī)器人能夠融合進(jìn)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)并發(fā)揮高效作用,在后續(xù)過(guò)程不斷優(yōu)化看護(hù)服務(wù)和兼容性,力爭(zhēng)更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)測(cè)試,看護(hù)機(jī)器人功能強(qiáng)大,能夠提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率、降低工作強(qiáng)度,同時(shí)能有效減少人員間的接觸,降低傳染性疾病的傳染風(fēng)險(xiǎn),具有較高的技術(shù)推廣價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。