智能導診機器人及其綜合管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)*

何進松

（上海電子信息職業(yè)技術(shù)學院通信與信息工程學院 上海 201411）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)、深度學習算法等技術(shù)的推動下，人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，將對生活服務、醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)等各個行業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響。目前，我國正處于中國制造向中國智造邁進的大背景下，機器人產(chǎn)業(yè)迎來了全新機遇。借助人工智能技術(shù)，可實現(xiàn)機器人領(lǐng)域與醫(yī)療領(lǐng)域的深度融合，醫(yī)療服務機器人具有廣闊的市場前景［1～2］。

目前各大醫(yī)院門診患者流量大，大多數(shù)患者缺乏健康認知，對于病癥、醫(yī)院科室及檢查位置導航等常見問題，需要導醫(yī)指導［3～4］。傳統(tǒng)導診模式工作量大，工作效率低，導醫(yī)工作本身也相對枯燥，服務態(tài)度有待提高。因此，改善就醫(yī)體驗，提高患者滿意度，減輕導醫(yī)工作壓力，成為現(xiàn)代化醫(yī)院的工作要求。借助智能化導診機器人，采用人機交互方式，根據(jù)患者病癥描述，給出就診建議，提高問診質(zhì)量，是目前互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療服務領(lǐng)域的主流發(fā)展方向［5～6］。

2 智能導診機器人及其綜合管理平臺總體設(shè)計

智能導診機器人及其綜合管理平臺，要求能夠?qū)C器人本體進行管理，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)人機語音交流，并且具備連續(xù)監(jiān)聽患者提問的功能［7～8］。管理平臺能夠?qū)崟r記錄機器人與問詢者的交互記錄，通過管理后臺能對機器人發(fā)送相關(guān)操作指令，并允許后臺管理人員查看及處理人機對話內(nèi)容及機器人前端攝像頭采集的畫面。針對患者就醫(yī)過程中需要咨詢的問題建立導醫(yī)知識庫，形成機器人問答知識庫，方便實現(xiàn)與患者的智能語音交互。機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自我記錄和自我學習，再遇相似問題時機器人可自行回復解決［9～12］。建立導醫(yī)地圖，提供地圖導航功能，通過語音交互能力可解決問詢者有關(guān)咨詢位置信息相關(guān)的問題，并能夠在機器人屏幕上顯示相關(guān)地圖信息，進行路線指引。

針對智能導診應用需求，進行智能導診機器人及其綜合管理平臺總體設(shè)計。硬件基于軟銀人形機器人“Pepper”作為服務機器人，軟件基于Lab-VIEW Nao SDK工具包進行人機交互程序設(shè)計，并將其交叉編譯生成Python代碼，結(jié)合前端技術(shù)，完成軟件開發(fā)。

智能導診機器人及其綜合管理平臺主要包括三個部分功能：機器人平臺、管理后臺及客戶端三部分，功能框圖如圖1所示。

圖1 平臺功能框圖

各部分功能如下。

1）機器人平臺：分為三個功能模塊。實現(xiàn)與患者的智能語音交互，根據(jù)診斷情況，提供導診服務；人臉識別功能能夠?qū)崿F(xiàn)人臉圖像采集，方便下載就診時識別患者身份；定位導航功能可實現(xiàn)點到點自主導航，并進行移動路線指引［13～14］。

2）管理后臺：分為四個功能模塊。機器人管理模塊顯示當前機器人列表，進行機器人狀態(tài)控制；導醫(yī)工作臺實時記錄機器人與患者的交互記錄；導醫(yī)知識庫根據(jù)醫(yī)院數(shù)據(jù)模型和知識庫建立，患者咨詢過程中，根據(jù)所述疾病，從導醫(yī)知識庫中匹配響應的診室和治療醫(yī)生，形成導醫(yī)結(jié)果；數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊進行用戶統(tǒng)計和問答結(jié)果統(tǒng)計。

3）客戶端：分為五個模塊。醫(yī)院概述模塊進行醫(yī)院、科室和專家的介紹，方便患者查詢；就醫(yī)指南介紹就診流程、住院須知和出院流程；導醫(yī)地圖模塊，提供地圖導航功能；此外還提供預約掛號和相關(guān)診療費用查詢功能模塊。

3 軟銀人形機器人“Pepper”簡介

選擇軟銀人形機器人“Pepper”作為服務機器人?！癙epper”是一款人形機器人，身高120cm，體重28kg，配備10.1英寸觸摸屏，可綜合考慮周圍環(huán)境，并積極主動地作出反應。通過機器人頭部的麥克風陣列，機器人可以準確地對場景內(nèi)的聲源進行定位和識別。機器人配備了語音識別技術(shù)，可用表情、動作、語音與人類進行人機交互。智能AI數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)除人機交互外的天氣查詢、點歌、聊天等功能。底盤雷達掃描，構(gòu)建地圖，導航避障，可根據(jù)需求準確移動到目標位置［15］。為了擴展機器人的應用，Aldebaran Robotics公司也公開發(fā)布了SDK，開發(fā)者可以根據(jù)開發(fā)需求對機器人做部署和個性化設(shè)定。

圖2 人形機器人“Pepper”

4 軟件設(shè)計

“Pepper”機器人和其本身配有的平板觸摸屏，分別具有獨立的處理器，因此針對機器人本體控制及平板的人機交互界面設(shè)計，將軟件分為兩部分，分別運行主程序和前端程序。主程序采用開發(fā)和維護速度較快的LabVIEW進行開發(fā)，基于NAO SDK for LabVIEW和Voice Cloud工具包，實現(xiàn)機器人管理和語音功能。NAO SDK for LabVIEW基于最新的NAOqi2.1軟件架構(gòu)編寫而成，基于該開發(fā)包，可實現(xiàn)機器人運動控制、語音控制、人臉識別和獲取傳感器數(shù)據(jù)等。VoiceCloud SDK for LabVIEW工具包基于科大訊飛語音服務功能，能夠完成語音聽寫，語法識別，語音合成等功能。最后利用工具包中自帶的交叉編譯器，將LabVIEW程序編譯成“Pepper”支持的Python語言，下載到機器人內(nèi)核中。

4.1 主程序設(shè)計

主程序軟件設(shè)計架構(gòu)采用狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，設(shè)置關(guān)鍵變量VIRobotics_Page作為Htm l與LabVIEW溝通的重要標識，根據(jù)導診平臺模塊功能，為VIRobotics_Page賦值，也以此作為狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的跳轉(zhuǎn)條件。主程序和前端程序交互時，LabVIEW通過發(fā)送JS代碼段，模擬點擊按鈕、網(wǎng)頁跳轉(zhuǎn)、網(wǎng)頁標簽文字更新等，實現(xiàn)對導診平臺人機交互界面的對應界面的控制。前端程序控制LabVIEW時，用JS修改機器人內(nèi)存中的關(guān)鍵變量VIRobotics_Page，LabVIEW的狀態(tài)機中，檢測到該變量的值，則進入不同的狀態(tài)分支。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

主程序執(zhí)行過程為開機后，首先進行機器人初始化，通過判斷關(guān)鍵變量VIRobotics_Page的值，進入對應的狀態(tài)分支。當患者選擇醫(yī)院概述、就醫(yī)指南、導醫(yī)地圖和健康宣教功能時，機器人首先進行人臉識別，識別后開始與患者進行語音交流，此時利用本地語音識別功能，根據(jù)語音識別結(jié)果，響應不同的功能。當患者選擇智能導診時，依據(jù)導醫(yī)知識庫，通過“病癥特征提取”的方式，模仿問診過程，為患者給出就診建議。如患者選擇智能問答功能，則進入訊飛語音識別。

4.2 人機交互界面程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，采用HTML5+CSS編碼技術(shù)，結(jié)合JavaScript進行人機交互界面程序開發(fā)。點擊人機交互界面網(wǎng)頁上對應的功能圖標，JS即修改關(guān)鍵變量VIRobotics_Page的值，主程序進行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，網(wǎng)頁上即響應對應的功能。網(wǎng)頁點擊事件框圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)頁點擊事件框圖

5 結(jié)語

本文借助人工智能技術(shù)，基于從LabVIEW到python的交叉編譯技術(shù)和前端技術(shù)，分別從系統(tǒng)總體設(shè)計、機器人硬件功能、軟件設(shè)計進行闡述，完成了智能導診機器人及其綜合平臺的設(shè)計。目前該系統(tǒng)已成功應用于醫(yī)療導診中，工作過程中，機器人運行穩(wěn)定，人機交互性能良好，愉悅患者心情，有效改善了醫(yī)院的導診環(huán)境。該設(shè)計在醫(yī)療領(lǐng)域具有較好的應用價值。