基于ROS的智能老年助手機(jī)器人研究

郭悅新 王宇 沈榮標(biāo) 陳鈺

摘?要：針對老年人服用藥物、子女無法全天候進(jìn)行陪伴成為當(dāng)今社會常態(tài)問題，本文研制了一款基于ROS的智能老年助手機(jī)器人，它集智能導(dǎo)航與路徑規(guī)劃控制、智能監(jiān)測、智能藥物存儲、遠(yuǎn)程視頻交互等于一體，實(shí)現(xiàn)對老年人的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，智能藥箱、非接觸式生理信號檢測模塊、音頻交互等多模塊與機(jī)器人本體的相結(jié)合，極大地豐富了智能老年助手機(jī)器人的功能，從而保證了老年人生理、心理健康，大大增加了實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ROS機(jī)器人;生理信號;智能藥箱;老年助手

Research?on?Intelligent?Elderly?Assistant?Robot?Based?on?ROS?Robot

Guo?Yuexin*?Wang?Yuchong?Shen?Rongbiao?Chen?Yu

Tianjin?University?of?Technology?and?Education?Tianjin?300222

Abstract：Aiming?at?the?problem?that?the?elderly?taking?drugs?and?their?children?;cannot?be?accompanied?around?the?clock?are?the?normal?social?problems?in?today's?society，this?article?has?developed?a?ROSbased?intelligent?elderly?assistant?robot，which?integrates?intelligent?navigation?and?path?planning?control，intelligent?monitoring，intelligent?drug?storage，and?remote?video?interaction.One，to?realize?the?intelligent?drug?management，intelligent?home?management?and?intelligent?remote?monitoring?management?for?the?elderly，the?combination?of?intelligent?medicine?cabinet，noncontact?physiological?signal?detection?module，audio?interaction?and?other?modules?with?the?robot?body，greatly?enriched.The?functions?of?the?intelligent?elderly?assistant?robot?are?thus?ensured?to?ensure?the?physical?and?psychological?health?of?the?elderly，which?greatly?increases?the?practical?value.

Keywords：ROS?robot;Physiological?signal;Smart?medicine?box;Elderly?assistant

隨著全球老齡化人口及慢性疾病患病率的增加，老年人服用藥物已成常態(tài)[12]。但由于子女無法全天候陪伴與看護(hù)，造成老年人時(shí)常出現(xiàn)錯服或漏服藥物[3]，對老年人疾病的控制與治療產(chǎn)生一定的影響。

新型的智能藥箱、陪護(hù)機(jī)器人的研制為老年人的健康保駕護(hù)航。國內(nèi)學(xué)者針對智能藥箱、陪護(hù)機(jī)器人的研究日益成熟，例如天津某電子科技有限公司[4]研發(fā)的基于STM32的新型智能藥箱，采用硬件+APP實(shí)現(xiàn)智能管理及提醒用藥;重慶交通大學(xué)[56]研制的一款小型家用多功能智能藥箱，解決了配藥速度及結(jié)構(gòu)空間緊湊，滿足老年人獨(dú)自居家使用。這在一定程度上解決了老年人服用藥物問題，但功能相對簡單，無法滿足用戶的高級需求。

因此本文提出了一種基于ROS的智能老年助手機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對老年人的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等，以滿足當(dāng)代青年的智能化需求，在改善老年人健康居家生活提供一定參考。

1?智能老年助手機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與功能

智能老年助手機(jī)器人的三維模型如圖1所示。智能老年助手機(jī)器人主要由視覺模塊、顯示模塊、藥物儲存模塊、激光雷達(dá)模塊、控制處理系統(tǒng)、紅外視覺模塊、限位開關(guān)模塊、運(yùn)動模塊、電機(jī)模塊以及電池模塊等組成。智能老年助手機(jī)器人系統(tǒng)模塊框架如圖2所示。智能老年助手機(jī)器人主要致力于老年人群體的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，以確保老年人的居家安全。

1.1?遠(yuǎn)程視頻交互及監(jiān)控功能

智能老年助手機(jī)器人系統(tǒng)，集視覺模塊、顯示模塊和控制處理系統(tǒng)模塊于一體，實(shí)現(xiàn)對老年人智能視頻信息交互及遠(yuǎn)程老年人生理信號（心率、血壓、體溫等）監(jiān)測功能，從而達(dá)到老年人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與陪伴。

1.2?智能環(huán)境感知及智能跟隨功能

為保證老年人健康安全的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，智能老年助手機(jī)器人通過激光雷達(dá)模塊、紅外視覺模塊、視覺模塊以及控制處理模塊共同實(shí)現(xiàn)老年人周圍環(huán)境信息的建模和對老年人身份識別與智能跟隨。若視覺模塊發(fā)現(xiàn)老年人異常（摔倒、危險(xiǎn)操作），將進(jìn)行“報(bào)警”處理。

1.3?藥物智能化管理功能

為解決藥物的智能化管理，智能老年助手機(jī)器人將藥物儲存系統(tǒng)分為兩種模式：用戶模式和管理員模式，通過藥物儲存模塊（藥物儲存）、視覺模塊（人臉識別）以及顯示模塊（藥物信息、數(shù)量等），實(shí)現(xiàn)藥物的智能分發(fā)及藥物信息的智能化管理，進(jìn)而避免出現(xiàn)藥物混淆及誤食等問題。

2?智能老年助手機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

智能老年助手機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，其主要系統(tǒng)如圖2所示。

2.1?控制處理系統(tǒng)

由于保障智能老年助手機(jī)器人的正常運(yùn)行對控制處理系統(tǒng)提出更高的要求。本研究主要選用ROS?Kinetic版本的bobac控制處理系統(tǒng)[7]作為智能老年助手機(jī)器人的頂層控制系統(tǒng)，保障了智能老年助手機(jī)器人未知環(huán)境建模與視覺模塊的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，控制處理系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。選取STM32F103ZE作為智能老年助手機(jī)器人底層控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動模塊的控制、藥物處理模塊等的控制。

2.2?導(dǎo)航模塊

智能老年助手機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)主要基于ROS機(jī)器人平臺開發(fā)，利用激光雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位與未知環(huán)境地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航與避障功能。首先在機(jī)器人控制器中編寫機(jī)器人運(yùn)動Node（設(shè)置運(yùn)行速度、整機(jī)直徑等）;然后進(jìn)行SLAM地圖構(gòu)建：激光雷達(dá)掃描環(huán)境場信息，自動標(biāo)注環(huán)境場中存在的障礙物位置信息，實(shí)時(shí)顯示高精度地圖信息;最后運(yùn)用Navigation導(dǎo)航并結(jié)合智能視覺識別模塊，實(shí)現(xiàn)了智能老年助手機(jī)器人的智能導(dǎo)航與跟隨功能。

2.3?藥物存儲模塊

藥物存儲模塊由多個分體式倉位組成，通過視覺模塊及控制處理系統(tǒng)判斷識別到用戶需求藥品時(shí)，驅(qū)動電機(jī)彈出裝載相應(yīng)藥品的倉位并在顯示模塊上顯示藥物相關(guān)信息，語音提醒用戶藥物性質(zhì)及服用方法。其中藥物儲存模塊管理應(yīng)用流程如圖4所示。

2.4?監(jiān)測模塊

由于子女不能時(shí)刻陪伴在居家老人身邊，一旦出現(xiàn)心率過高，心臟驟停、發(fā)燒等現(xiàn)象，其致死率極高[7]。智能老年助手機(jī)器人檢測模塊主要基于視覺模塊進(jìn)行人體生理信號的監(jiān)測，利用視覺模塊采集人體面部圖像作為生理信號采集興趣區(qū)域，采用ViolaJones人臉檢測器對人臉部信息的自動初始化檢測，并運(yùn)用MRC算法、主成分分析、快速傅里葉變換及時(shí)/頻轉(zhuǎn)換等算法完成對血壓、心率、血氧飽和度信號的提取，利用紅外光和可見光雙重驗(yàn)證測溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)老年人遠(yuǎn)程體溫檢測，從而達(dá)到老年人生理體征信息的自動預(yù)警、全局掌握功能。其中檢測模塊中人體生理信號測量流程圖如圖5所示。

結(jié)語

本文研發(fā)了一種基于ROS的智能老年助手機(jī)器人，集智能導(dǎo)航控制、智能監(jiān)測、智能藥物存儲、遠(yuǎn)程視頻交互等于一體，實(shí)現(xiàn)對老年人的智能化藥物管理、智能化居家管理以及智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等，一定程度上保障了老年人居家健康安全。

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基金項(xiàng)目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202010066146）

*通訊作者：郭悅新（2001—?），女，本科，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)，研究方向：智能機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用。