基于云平臺的無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)硬件設計

摘要：隨著科技的發(fā)展，人工智能、機器學習等先進技術已經(jīng)深入各個行業(yè)。無人醫(yī)藥配送機器人是醫(yī)療行業(yè)中的一項創(chuàng)新應用，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別、配送藥品，并自動記錄藥品使用情況等功能，可以極大地提高醫(yī)療服務的效率和準確性。硬件設計是無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎，包括機器人的結(jié)構(gòu)設計、驅(qū)動設計、傳感器設計、執(zhí)行機構(gòu)設計等多個方面。文章提出一款基于Arduino開發(fā)板的無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用麥克納姆輪底盤，配合紅外避障、ESP8266無線通信、視覺識別、串口顯示屏等功能模塊，實現(xiàn)無線監(jiān)控下的自主送藥。

關鍵詞：人工智能；機器人；硬件；ESP8266

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

0 引言

隨著人口老齡化的加劇以及婦幼保健等醫(yī)療服務需求的增加^［1］，醫(yī)療服務的提供面臨著人力短缺、效率低下等問題。醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)作為重要的民生問題，是否可以滿足廣大人民群眾的需求，不僅影響到人民的生命健康，并且關系到國家民生體系的構(gòu)建^［2］。同時，隨著人工智能技術的不斷提高和應用價值的不斷擴大^［3］，人工智能技術在各個領域的應用也越來越廣泛，無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)正在逐漸改變傳統(tǒng)的藥品配送方式。無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)，通過引入先進的機器人技術和自動化技術，解決了醫(yī)療服務行業(yè)人力短缺問題，提高了醫(yī)療服務的效率和質(zhì)量。同時，無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)的應用還可以降低醫(yī)療事故的發(fā)生率。本文旨在探討無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)的硬件設計、實現(xiàn)和應用，為未來的研究和系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)設計架構(gòu)

本項目采用Arduino MEGA2560作為主控芯片，外置了麥克納姆輪底盤驅(qū)動源、紅外避障傳感器模塊、音頻輸出模塊、MU視覺傳感器模塊、組態(tài)工業(yè)串口屏等硬件設備。主控芯片控制周圍相關傳感器模塊的驅(qū)動運行。醫(yī)務人員通過微信小程序控制系統(tǒng)運行，系統(tǒng)會自動將配送的藥品數(shù)據(jù)通過云平臺傳到藥房。藥師只需將藥品放入機器人定點出藥口，機器人收到藥物后會進行重量檢查、藥物包裝文字識別檢查，確保無誤后，主控芯片驅(qū)動機器人開始行動，并在顯示屏顯示行動路徑、目的病房、藥品信息及確認信息。機器人送達后將數(shù)據(jù)傳至云平臺，病房醫(yī)師確認實現(xiàn)系統(tǒng)向后臺的信息反饋。總體設計如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)創(chuàng)新特點

（1）本設計利用軟件和硬件相結(jié)合，實現(xiàn)了人工智能代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式送藥的目標，有效地減少了醫(yī)護人員與患者的交叉感染，為傳染病房的治療與護理提供了更具可行性的解決方案。相對于傳統(tǒng)人工方式而言，本設計在降低人工費用的同時，也為醫(yī)護人員與患者提供了良好的安全保障。

（2）本設計具有MU VISION SENSOR視覺傳感器模塊，可以對醫(yī)護人員放置的藥品進行識別，避免了人為疏忽和錯誤導致藥品送錯。

2 系統(tǒng)設計

本設計硬件核心模塊包括：傳輸模塊、識別模塊、重量檢測模塊、音頻提示、紅外避障等。

2.1 傳輸模塊

本設計采用ESP8266無線傳輸模塊。該無線傳輸模塊具有低功耗、強力抗干擾、RSSI信號強度檢測、數(shù)據(jù)加密等優(yōu)點。其單AP的應用模式可將其作為熱點鏈接更多的設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該模塊支持TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)⒃O備接入Wi-Fi，進行與互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的通信，從而實現(xiàn)物物相連^［4］。

Arduino處理傳感器數(shù)據(jù)作為核心端，云平臺顯示作為接收發(fā)送終端。ESP8266無線傳輸模塊在該系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)傳輸與云平臺的通信、下達指令控制機器人、選擇機器人的控制模式等。該模塊接收主治醫(yī)師通過云端微信小程序發(fā)送的藥品信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控模塊以驅(qū)動機器人走到相應藥房進行藥物接收。送藥機器人識別指令并通過視覺識別到指定的隔離病房內(nèi)，將藥物送給患者。無線傳輸模塊如圖2所示。

2.2 識別模塊

識別模塊具有高靈敏度、低功耗、小型化的優(yōu)點。該模塊采用30W廣角鏡頭，含有多種視覺算法，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人自主識別，讓機器人面對環(huán)境中的隨機事件時能自主觸發(fā)適合的行為。該傳感器可以識別多種目標物體，例如顏色檢測、球體檢測、人體檢測、卡片識別等，檢測結(jié)果可通過UART或I2C方式進行輸出。內(nèi)置算法均在本地處理，無需聯(lián)網(wǎng)就可進行文字及圖像識別，對藥物包裝上的文字圖像識別來確認藥物，進行精準送藥。該模塊實物如圖3所示。

2.3 紅外避障模塊

本項目使用的紅外光電開關漫反射式避障傳感器模塊（E18-D80NK）是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等優(yōu)點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。此模塊可以通過尾部的電位器旋鈕調(diào)整檢測障礙物的距離，在機器人中主要用于避開路上的障礙物，降低人流對機器人的影響。紅外避障傳感器具有1對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物時，紅外線反射回來被接收管接收，從而實現(xiàn)機器人自主避障。

2.4 重量檢測模塊

本設計采用HX711稱重傳感器作為機器人的重量檢測模塊。該傳感器是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強、成本低、高性能和可靠性等優(yōu)點。該傳感器的最大稱重范圍為5 kg，能夠滿足大部分小型醫(yī)療物品的藥物重量，實現(xiàn)確定藥物劑量的功能。該模塊配合識別模塊來確定機器人攜帶藥物，并配合顯示模塊顯示重量信息，配合傳輸模塊反饋運輸物品信息至云端。隨后主控模塊下達驅(qū)動指令，實現(xiàn)機器人自主前往隔離病房送藥。實物如圖4所示。

2.5 音頻提示功能

ASR-M09C是一種基于嵌入式的語音識別模塊，實現(xiàn)語音交互功能。該模塊主要包括語音識別芯片和一些其他的附屬電路，能夠方便地與主控芯片進行通信。開發(fā)者可以將該模塊嵌入自己的產(chǎn)品使用，達到語音交互的目的。當紅外避障傳感器識別到前方有障礙物時就會停止并語音提示。語音交互功能包含語音識別和語音合成2種功能^［5］。語音識別包括2個階段：訓練和識別。無論是訓練還是識別，都必須對輸入語音預處理和特征提取。訓練階段首先收集大量的語音語料，其次將語音語料進行預處理和特征提取，得到特征矢量參數(shù)，最后通過特征建模達到建立訓練語音參考模型庫的目的。識別階段首先將輸入語音的特征矢量參數(shù)和參考模型庫中的參考模型進行相似性度量比較，其次把相似性最高的輸入特征矢量作為識別結(jié)果輸出。該模塊適合在醫(yī)院嘈雜的語言背景中精準快速地提取矢量相似度最高的語音并識別，完成對環(huán)境語音的高效識別，簡潔方便。實物如圖5所示。

3 結(jié)語

基于云平臺的無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)硬件設計，旨在通過深度集成先進的機器人技術、自動化技術、云計算技術等，實現(xiàn)一種高效率、高準確性、高安全性的藥品配送解決方案，有效提升醫(yī)療服務的效率與質(zhì)量。本文針對該系統(tǒng)的硬件設計原理、設計方案做了深入探討。伴隨著科技領域的持續(xù)進步與創(chuàng)新突破，無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)必將擁有更加廣闊的應用前景，從而為人類健康事業(yè)貢獻更大的力量。通過不斷的技術開拓和應用場景的拓寬，無人醫(yī)藥配送系統(tǒng)將為醫(yī)療行業(yè)帶來更大的便利和效益，為民眾的日常生活提供更為優(yōu)質(zhì)的服務。展望未來，伴隨著技術的持續(xù)進步與應用場景的逐步擴展，無人配送機器人將在更多領域發(fā)揮其重要角色，服務范圍將持續(xù)擴大，除了傳統(tǒng)的醫(yī)院、診所以及藥店等醫(yī)療場所外，還可能廣泛應用于社區(qū)、家庭等環(huán)境，為廣大用戶提供便捷的藥品配送服務，為人們的生活帶來更多的便利。

參考文獻

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［2］李言昊.考慮藥品訂單重要性的車輛無人機混合配送優(yōu)化研究［D］.大連：東北財經(jīng)大學，2022.

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（編輯 王雪芬）

Hardware design of unmanned medicine distribution system based on cloud platform

Qin" Qin， Jin" Xiaojian， Jing" Liangyuan

（Baoding University， Baoding 071000， China）

Abstract： With the development of science and technology， advanced technologies such as artificial intelligence and machine learning have penetrated into various industries. Unmanned pharmaceutical delivery robot is an innovative technology in the medical applications， which can realize the functions of automatic identification， delivery of drugs， and automatic recording of drug usage， which can greatly improve the efficiency and accuracy of medical services. Hardware design is the basis for the realization of unmanned medical distribution system， including the structural design， drive design， sensor design， actuator design and other aspects of the robot. In this design， an unmanned pharmaceutical delivery system based on the Arduino development board is proposed， which selects the mecanum wheel chassis and cooperates with functional modules such as infrared obstacle avoidance， ESP8266 wireless communication， visual recognition， and serial port display to realize unmanned drug delivery in the medical environment.

Key words：artificial intelligence; robot; hardware; ESP8266