多傳感器融合的自主導航護士助手機器人的設計與實現

陳再勝，王顏霞

（商丘工學院，河南 商丘 476000）

醫務人員供需不足一直是我國醫療系統的一項痛點，2019 年至今，新冠肺炎的成規模持續，使得這一痛點雪上加霜，醫務人員長時間疲憊地工作，對醫護人員的身體和心理健康造成極為不良的影響[1-2]。護士助手機器人是一種可實現自主導航、避障、充電和物品運送等的智能移動機器人，可以幫助醫務人員承擔一部分重復、持續、規律性的工作，比如運送藥品、手術耗材工具和其他物品等，緩解醫務人員的壓力。

目前，融合多傳感器的自主定位與導航技術是智能移動機器人領域研究的熱點課題之一[3-5]。慣性導航可以通過編碼器和陀螺儀直接測得載體的運動速度數據信息，為機器人運動提供必要約束，但編碼器存在累計誤差，陀螺儀存在z 向漂移；激光雷達在室內建圖和導航時能獲得較高的精度，但也存在一定的缺陷，比如只能獲得雷達本身高度平面內的定位信息，當障礙物超過掃描范圍時，激光雷達將無法檢測到[6-8]。

因此，本論文設計了一種護士助手機器人，該機器人以樹莓派為控制核心，融合姿態傳感器、里程計、激光雷達三種導航技術的同時采用遠程控制和智能存取柜系統技術實現病人和醫務人員之間“無接觸、少接觸”溝通，并完成規定的運送物品的任務。

1 機器人總體方案設計

醫生或者護士通過遠程控制端監控機器人移動并發送指令，實現機器人按照要求實時定位和導航。同時，醫生或者護士通過顯示屏與病人遠距離視頻通話，將與病人信息相對應的二維碼作為存取物品或藥品的唯一識別碼，只有持有該二維碼的人才能打開柜體門鎖。

護士助手機器人運送環境是在半污染區，主要運送藥品、餐品和被服等用品。運送流程分為裝藥/物、選定目標點、送藥/物、返回零位四個步驟。

第1 步裝藥/物：護士在護士站處置間將藥/物配好后，如果機器人存取柜清零后第一次使用，掃描二維碼啟動超管或普管權限，機器人所有柜門打開，將藥/物放進柜子。如果是有未送完的藥物但需要再放入藥物時，直接掃描二維碼一次，機器人會隨機打開一個空柜，護士可以放入藥物。

第2 步選定目標點：有兩種方式，一種是目標點全部選定，另一種是根據需要運送的物品接收對象進行選定。

第3 步運送藥/物：機器人根據選定的目標點進行全局規劃，實現自主導航。

第4 步返回零位：藥/物運送完成后，護士遠程操控機器人選擇零位目標點，機器人返回零位。

機器人總體設計方案，機器人總體采用決策層控制與執行層控制相結合的方式。

決策層控制系統核心為一臺裝載ROS 系統的上位機，該上位機以有線的形式連接MPU、激光雷達和單目相機。決策層接收執行層發送的底盤數據與激光雷達數據進行融合，經過內部程序運算后將運動命令發送給執行層。

執行層的首要功能是驅動功能，為實現該功能，執行層驅控系統核心采用了Arduino2560，該芯片將決策層發送的速度控制命令轉換成信號脈沖傳輸給電機驅動，以便控制驅動電機轉動使機器人運動。執行層的次要功能是柜體控制，包括二維碼掃碼器、交互面板、門鎖控制系統和喇叭，其中門鎖控制系統核心采用STM32 的控制板，控制數個帶反饋電控鎖，電控鎖的開關信息會及時反饋給門鎖控制系統，從而反饋至上位機，供操控人員及時了解病人取放物的情況。

2 機器人結構設計

總體方案設計主要包括底盤及其載具平臺、上位機（樹莓派主控系統）、自主導航系統、視頻監控系統、二維碼存取柜系統、顯示屏和遠程控制終端等。機器人整體采用四層結構，充分利用垂直空間，從低到高依次為底層、第二層、第三層和頂層。機器人底層放置了減速電機、編碼器、兩個驅動輪和四個從動輪，兩個驅動輪差速驅動且相互獨立，接收底盤控制板發出的指令就可以實現直行或轉彎；為了緩沖底層減速電機和不同路況對三層控制系統的震動沖擊，二層加裝了減震板和5個彈簧；機器人第三層放置了激光雷達、底盤控制板、電機驅動器、分線器、穩壓器、一鍵制動開關、上位機和MPU 等。上位機與底盤控制板、激光雷達、MPU 通過USB 串口相連來進行通信；機器人頂層放置存取柜、電池、單目相機、顯示屏、鎖系統主控板和操作界面等。

上位機選用樹莓派RaspberryPi4ModelB（簡稱4 代B 型）作為主控板，通過Pype-C 接口實現5V 供電，通過CSI 攝像頭接口連接單目相機，通過USB2.0/3.0接口接收激光雷達、IMU、Arduino2560 控制板傳輸的數據，通過MicroHDMI 接口連接10 寸顯示屏和USB接口連接無線鍵盤和鼠標接收器實現人機交互和界面顯示。

該機器人設計的最大負載為30kg，選取的車輪直徑D 為130mm，最大移動速度υmax為0.6m/s，經計算所需單個驅動輪電機功率為：

根據以上條件，為使機器人有足夠的動力，選擇直流渦輪蝸桿減速電機DM08RC-150i11RV12 為機器人提供動力，該電機具有強勁的驅動能力，且減速比為50，非常適合醫院低速度運行。

3 導航控制系統

3.1 導航控制系統總體設計

本護士助手機器人自主導航控制系統主要包括底盤控制系統、SLAM 系統、路徑規劃系統和可視化人機交互界面。

3.1.1 底盤控制系統

底盤控制系統主要用于控制機器人運動的速度和角度。選用ROS 系統中的bringup 功能包從上位機中人機交互系統接收操作者給定的速度命令，并通過PWM脈沖控制驅動電動機旋轉；同時在該功能包中可以獲取驅動電機的運行速度，再通過電機編碼器轉換為距離數據，傳輸到上位機；同時通過MPU 收集機器人的角/線速度數據后反饋到上位機。

3.1.2 SLAM 系統

在ROS 系統中包含SLAM 系統包，可以依據IMU、激光雷達等位置和姿態傳感器傳遞的環境信息，使用相關算法構建環境地圖，并實時測量機器人所在的位置和姿態。

對比目前室內自主導航常用技術，本設計使用三種導航定位技術實現自主導航定位。第一種根據航跡推算法采用里程計（電機編碼器）得到機器人運行的距離和角度，實現局部定位，存在較大的累積誤差；第二種根據擴展卡爾曼濾波（EKF）算法利用 IMU 低噪聲的特性去矯正里程計的累計角度偏差，測量機器人相對于初始位置的距離和方向，從而推知機器人當前的位置和下一步的目的地；第三種根據自適應蒙特卡羅算法（Adaptive Monte Carlo Localization，AMCL）將里程計和IMU的融合數據與激光雷達數據再進行融合，從而獲得機器人在已知的全局地圖下高精度的定位。本設計選擇粒子濾波的SLAM 方法（FastSLAM）實現全局地圖構建，其中FastSLAM 算法利用EKF 進行路標點狀態估計，利用PF 進行機器人的位姿估計。

3.1.3 路徑規劃系統

本文設計的護士助手機器人在實際運行中，首先，根據SLAM 系統構建的全局地圖，以及操作者設定的巡航目標點，通過A*算法進行總體路徑的規劃，即全局路徑規劃，并計算出機器人到目標點的最優路線；其次，在全局路徑規劃的最優路線中，機器人通過機載的傳感器實時檢測機器人周圍是否有障礙物，當存在障礙物時機器人通過模糊控制算法設計出幾條避障路線，并綜合評優，選取最優的避障路線，機器人按照此避障路線進行運動；最后，當避障結束后，還需要判斷機器人是否在第一步規劃的全局路徑上，如果在則繼續運動直至達到巡航目標點；如果不在原全局路徑上，則重新進行全局規劃，重復上述步驟直至機器人移動到巡航目標點。

3.1.4 可視化人機交互界面

ROS 系統中具有二維可視化界面工具Rviz，Rviz工具不僅可以實時顯示機器人在運動過程中的位置和姿態，并構建實時環境地圖，地圖構建成功后可以及時保存，而且可以設置機器人的巡航目標點的位置和方向。

3.2 定點巡航系統設計

為了更好地適應醫院復雜的環境，本護士助手機器人采用隨機坐標點和順序坐標點兩種無限巡航模式，同時為了彌補視頻監控必須專人時時監控的弊端，采用導航時間限定，當超過設定時間后將前往下一個目標點，并記入失敗次數。

第一步，超管或普管掃描二維碼進入管理界面，系統自動啟動了move_base 節點后就可以使用Rviz 中的“2D Nav Goal”功能來獲取到地圖上坐標點的坐標和朝向，并獲取所有目標點的位置信息。

第二步，設定patrol_type 巡邏模式，選擇是否開啟隨機坐標點無限巡航模式，如果是則選擇隨機坐標點無限巡航模式，需要指定目標點，柜鎖控制系統會打開隨機柜子；如果選擇否，則選擇順序坐標點無限巡航模式，則無需指定目標點，機器人將按照順序巡航系統內所有的目標點，柜鎖控制系統將打開所有柜子。同時需要設定巡航圈數或時間，當選擇0 時，為巡航圈數模式，需要設定巡航圈數；當選擇1 時為巡航時間，需要設定巡航時間。

第三步，放入藥物，關閉柜門，柜鎖控制系統將數據信息反饋給上位機，之后機器人啟動巡航。

第四步，首次巡航，當機器人移動導航時間大于5min 時，將前往下一個目標點，并記錄導航失敗次數和機器人位置信息，如果小于5min，將繼續導航直至到達目標點。

第五步，機器人到達目標點后等待病人取藥/物，如果等待時間未超過15min，則繼續等待病人；如果超過15min，則檢查總巡航時間是否超過1h，如果未超過則前往下一個目標點，并記錄；如果超過則返回零位，并打印導航任務信息，結束。

這里的導航超時時間、等待時間和總巡航時間可以在開機測試時根據醫院的具體情況測定。

4 系統測試

4.1 測試環境選擇

為更好地模擬醫院辦公室和長走廊環境，特選擇本校行知苑1 樓作為測試環境，并選擇周六周日學生課少且人行隨機的時間段進行測試。

4.2 運行結果分析

該機器人運動為低勻速移動，最大運行速度為0.6m/s，負載能力不小于15kg，單次運行時間不小于3 小時。本系統經過測試，機器人自主導航定位能夠達到導航精度最大橫向偏差±0.25m，最大偏角±5°，剎車靈敏，運行可靠，移動過程中未發生碰撞。

5 結語

本文設計的護士助手機器人，采用AMCL 算法將MPU、里程計、激光雷達三種導航數據融合，實現高精度的導航定位，并采用A*算法和模糊控制理論實現全局和局部路徑規劃，進而實現定點或多點巡航。同時采用遠程控制和智能存取柜系統技術實現病人和醫務人員之間“無接觸、少接觸”溝通，并完成規定的運送物品的任務，從而減輕醫院隔離病房醫務人員的工作壓力，緩解醫患關系。