基于機器視覺的醫療服務機器人設計

蔣昕宇 俞曉丹 劉湘 檀文杰 陳奕廷 鄧雨晴

摘要：現如今，在人口老齡化的大背景下，服務機器人的研究和發展成為熱點。服務機器人作為機器人產業的重要前沿領域，融合了人工智能、傳感、網絡、視覺等創新技術，為人類生活提供多種服務，幫助人類解決實際生活中的困難，提高了人類的生活質量。文章從醫療服務、醫療技術以及醫療效率3個方面入手，針對現在的醫務行情，旨在打造一款基于機器視覺的智能型機器人，緩解人口老齡化帶來的社會壓力。

關鍵詞：人工智能；服務機器人；機器視覺

中圖分類號：TP242文獻標志碼：A

0 引言

中國是世界上人口最多的國家，隨著生育率的下降和醫療條件的改善。截至2023年年底，中國65歲及以上的老齡人口數量約為2.16億，約占全國人口的15.4%，中國人口老齡化的發展速度還在明顯加快。據聯合國預測，到2030年，中國65歲及以上人口將達到4億人，約占全國人口的28%。人口老齡化現象的加劇對我國社會經濟、醫療保障等方面帶來了巨大的挑戰。

1 機器人系統的研究背景

隨著年齡的增長，老年人的免疫力會大不如前，相較于其他年齡人群，更容易患上疑難雜癥。而老年人在治療過程中，對藥物的需求量較大。隨著時間的推移，醫療資源的供不應求也將成為一個重要問題。

研究組針對這一需求收集資料并展開調研。隨著科學技術的發展，計算機編程和智能機器人早已滲透到醫療領域中，機器視覺這一技術也隨著市場需求的增大不斷完善發展。基于機器視覺技術，研究組設計了一款醫療服務機器人。相較于傳統機器人，其使用了通用輸入/輸出口（General Purpose Input Output，GPIO），促進多個硬件之間的連接實現更快、更準確地抓取和行動、數據化的圖像識別以及智能避讓等一系列動作。研究內容希望為提高醫療效率、緩解資源短缺問題、提升老年人的生活質量和安全性做出貢獻。隨著該項目的進步、應用和推廣，所設計的醫療服務機器人有望在老齡化社會中發揮越來越重要的作用。

2 機器人系統的研究意義

通過引入機器視覺技術，本文設計了能夠靈活執行醫療任務的機器人系統，不僅能大幅減輕醫務人員的工作壓力，還提高了醫療效率。另外，為了實現醫療服務的高精準度，研究組通過機器視覺系統實現對藥物的精準辨識和抓取，確保藥物安全送達指定位置；在機器人小車的設計中引入了先進的安全測試系統，包括雷達技術、紅外線探測等，以檢測和規避潛在的障礙物。這一系列的操作將確保機器人在執行任務的過程中適應各種環境，提高整個醫療服務系統的效率和安全性。

3 軟硬件共行服務機器人設計意義

基于上述背景，針對當前的環境，研究組運用一種軟硬件共行的設計思路以及創新理念，使基于機器視覺的醫療服務機器人更好地服務于大眾。

4 基于機器視覺的醫療服務機器人的設計

本設計中的智能醫療機器人利用樹莓派視覺小車C5的圖像識別功能，設計醫療藥品的圖像庫，通過攝像頭拍攝并處理圖像的相關信息，實現了藥品的自動識別、定位以及分類^[1]。在硬件部分，智能機器人主要包括樹莓派控制器、電機驅動模塊、傳感器模塊和電源模塊。樹莓派控制器負責接收指令并控制電機驅動模塊和傳感器模塊。傳感器模塊中的感知模板和控制模板起著至關重要的作用。感知模板通過多種傳感器來感知環境，包括紅外線傳感器、超聲波傳感器、攝像頭和麥克風等。收集和處理感知模塊所得到的數據信息，智能機器人可以實現對其所處環境的自主感知。控制模板主要是根據控制模板所提供的一些數據信息，通過控制電機和燈光等組成的執行器來實現小車的運動控制、轉向控制和燈光控制。

為了提高設備的精度，研究組設計了醫療服務機器人的電路。小車的電路設計主要包括電源管理、傳感器接口的設計、執行器控制和通信接口等部分。樹莓派板載GPIO提供了以電平信號為基礎的輸入和輸出接口，使用樹莓派適配板將這些接口映射到通用接口上，即可完成與各個硬件的連接。

軟件部分是智能機器人控制的核心，也是該項目的研究重點，主要負責處理傳感器數據、決策和控制執行器。研究組使用Python語言編寫樹莓派的程序，利用GPIO庫控制電機驅動模塊和傳感器模塊^[2]，通過讀取傳感器的數據，利用程序輸出結果判斷小車當前的狀態，比如在賽道上是前進還是后退，是否有偏離的情況發生，根據預設的算法對小車進行有效的控制。軟件部分的準確設計有利于小車的全面及穩定運行功能的實現。

5 機械臂的設計

機械臂包括基座、臂端、關節、夾爪等。基座是機械臂的支撐結構，臂端是機械臂上不同長度的連接桿，關節是連接臂端的轉動機構，夾爪用于抓取和放置物體。機械臂通過控制各個關節的轉動和臂端的伸縮實現多種動作。在本文設計中，機械臂可以根據目標物體的坐標抓取物體，確定末端執行器的位置和方向，運用所設計的算法計算每個機械臂的關節對應的角度。

基于機器視覺的醫療服務機器人利用逆運動學公式輔助計算機械臂在運動過程中所需要的力或者力矩^[3]。逆運動學（Inverse Kinematics）是機器人學和機械臂控制中的一個重要概念。在本實驗中，設其末端執行器在笛卡爾坐標系中的期望位置為（x，y，z），且機械臂的每個關節都是旋轉關節，其旋轉軸相互垂直。逆運動學公式如下：

[＼begin{align*}＼theta_1 &=＼atan2（y， x） ＼＼theta_2 &=＼atan2（＼sqrt{x^2 y^2} - L_1，z）＼end{align*}]（1）

其中，（＼theta_1）和（＼theta_2）是2個關節的角度，（L_1）是第一個關節到末端執行器的長度。這里使用了（＼atan2）函數，其返回2個參數比值的反正切值，考慮了2個參數的正負號，從而能夠返回4個象限的角度。

6 圖像的識別以及處理設計

本文的醫療服務機器人的抓取系統通過樹莓派視覺小車實現，整個系統主要包括圖像采集、圖像處理、物體識別與定位、機器人運動控制等模塊。

（1）圖像采集：該模塊負責采集目標環境的圖像信息，這是實現機器視覺的基礎；使用多種傳感器如紅外線、超聲波以及高分辨率的攝像頭進行圖像采集，保證圖像清晰、穩定。

（2）圖像處理：該模塊負責對采集的圖像進行處理，包括去噪、增強等操作，以提取目標物體的特征信息。

（3）物體識別與定位：該模塊通過模式識別等技術，對處理后的圖像進行目標物體的識別和定位；該模塊通常使用深度學習等方法，以提高識別的準確率。

（4）機器人運動控制：該模塊負責根據物體識別與定位的結果，生成機器人的抓取路徑和控制指令；模塊需要考慮機器人的物理特性和環境因素，以確保抓取的準確性和安全性。

7 基于機器視覺的醫療服務機器人的測試數據

本文通過5個實驗對基于機器視覺的醫療服務機器人進行抓取測試，測試內容如下：抓取的穩定性、躲避障礙、輸送藥物的平穩程度、是否到達指定地點^[4]。實驗數據表明，機器人的各項測試內容完成度較高，并未出現明顯錯誤，總體平均成功率為97.3%。對基于機器視覺的醫療服務機器人抓取系統的研究，可得到以下結論。

（1）實驗確定了基于機器視覺的醫療服務機器人所用到的各項硬件、相關程序與重要參數，所得實驗測試結果如表1所示。與傳統智能機器人相比，本文所設計的機器人經過數據化處理，深入分析了系統的具體要求，實現了抓取的準確性、高效性和安全性，實用性較高。

（2）針對各板塊硬件之間的連接，本文設計的機器人采用GPIO，方便了各硬件之間的連接。

（3）對于圖像采集與處理，系統的識別率較好，小車行進較靈活，能有效完成輸入指令，控制各類指標在合理范圍內^[5]。

8 結語

通過引入機器視覺技術，本文設計了能夠靈活執行醫療任務的機器人系統，以提高醫療服務的整體效率。機器人能夠快速、準確地執行特定的操作，減輕醫務人員的負擔，從而使其專注于更為復雜和關鍵的醫療工作。具體優勢如下：

（1）所設計的智能機器人可以提高醫療效率和準確性；

（2）為了提高精準醫療服務水平，基于視覺系統的智能機器人能夠實現對藥物的精準辨識和抓取，確保藥物送達指定位置，這不僅有助于減少藥物分發的錯誤率，還能夠在醫療服務中提供更為精準的操作，提高患者的醫療體驗；

（3）在實驗中，本文引入先進的安全測試系統，如雷達技術，以檢測和規避潛在的障礙物^[6]，這將確保機器人在執行任務的過程中能夠適應各種環境，提高整個醫療服務系統的安全性；

（4）項目組致力于解決人口老齡化不斷加重而產生的醫療服務中遇到的一些瓶頸問題，通過機器視覺和智能控制系統，解決了醫療服務中的相關問題，如在繁忙時段的藥物發放等。

結合實際情況來看，所設計的智能機器人在無人操作下達成的目標準確度高達90%。這說明機器人系統的引入能夠有效地減輕醫務人員在高強度工作環境下的工作壓力，提高醫療服務的整體水平。

參考文獻

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[6]盧煜.醫療運輸機器人及其自適應跟隨系統設計與研究[D].上海：上海應用技術大學，2022.

（編輯 沈 強編輯）

Design of medical service robot based on machine vision

Jiang? Xinyu， Yu? Xiaodan^*， Liu? Xiang， Tan? Wenjie， Chen? Yiting， Deng? Yuqing

（Nantong Institute of Technology， Nantong 226001， China）

Abstract： Under the background of aging population， the research and development of service robot have become a hot spot at present. As an important frontier field of robot industry， service robot integrates innovative technologies such as artificial intelligence， sensing， network and vision， which provides a variety of services for human life， helps human to solve the difficulties in real life， and improves the quality of human life. This paper starts from three aspects of medical service， medical technology and medical efficiency， aiming at the current medical market， aims to create an intelligent robot based on machine vision to relieve social pressure brought by population aging.

Key words： artificial intelligence; service robot; machine vision