基于STM32的看護服務(wù)機器人裝置系統(tǒng)設(shè)計

范敬珂 劉師沛 臧百永 楊成玲 王成寶

(重慶交通大學信息科學與工程學院,重慶400074)

人口老齡化逐漸成為全球共同面臨的一個社會問題,根據(jù)全國老齡工作委員會的預(yù)測,到2050年,我國老齡人口比例將會達到28%,老年人的人數(shù)將有可能達到4.8 億[1],成為全球老年人人口最多的國家,養(yǎng)老問題日益嚴重。據(jù)估計,到2030年,中國對老年護理人員的總需求將從577.1 萬增加到1624.68萬。由于工作量大、工資低,尋找家庭保姆和護理機構(gòu)工作人員變得困難[2]。

“智能養(yǎng)老”這一概念最早是由英國生命信托基金會提出的,后來人們將這一理念用于全智能老年系統(tǒng),這種養(yǎng)老體系為智能養(yǎng)老時代帶來巨大的福音,也勾勒出良好的開端[3]。比如,日本的護理機器人RIBA-II,為搬運病人而設(shè)計,能將喪失行動能力的病人從地上或輪椅上搬運到病床上。但其功能單一,不夠人性化,服務(wù)對象也具有很大的局限性[4]。還有一類看護機器人是注重精神陪伴的,比如機器人Elli.Q,它利用仿人類的肢體語言、聲音等維度,與用戶進行互動,運用人工智能技術(shù)主動學習用戶的愛好、行為和個性,根據(jù)用戶的特征為其推薦適當?shù)幕顒覽5]。但其缺點就是不能為老人提供身體上的幫扶,更多的是作為精神伴侶。我國有關(guān)智能養(yǎng)老的機構(gòu)雖然匱乏,但人工智能技術(shù)的高速發(fā)展,也逐漸在填補缺口。

我們團隊設(shè)計的此款機器人能實現(xiàn)在養(yǎng)老機構(gòu)或家居環(huán)境內(nèi)自主導航、語音識別、信息存儲、人員搭載、物品運輸、生命體征監(jiān)測以及每日定時供藥等日?？醋o工作。機器人可以在工作區(qū)域的安全運行,通過傳感器實時檢測老人的生命體征、周圍環(huán)境等信息并反饋于主控制器進行處理。并且通過語音交互功能實現(xiàn)與老人的簡單溝通更加人性化地服務(wù)老人、方便醫(yī)護人員。除此之外,機器人體內(nèi)設(shè)計有自動供藥裝置,定時向老人提供配好的藥物,避免老人忘吃藥或吃錯藥的情況發(fā)生,這款看護機器人能夠減少醫(yī)護人員的工作量。

1 系統(tǒng)概述

機器人功能模塊包括電源模塊、自動供藥模塊、運動控制模塊、心電監(jiān)測模塊、語音交互模塊和圖像采集模塊。智能看護機器人在運行狀態(tài)中的各個功能模塊均由電源模塊分別進行供電,通過語音識別、圖像采集及傳感器等模塊接收外界輸入信息并匯入主控制器進行分析處理,隨后由主控制器對運動控制、語音交互、藥物投放、心率監(jiān)測等功能模塊進行控制,整體工作框圖如圖1所示。

圖1 智能看護機器人工作框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括自動供藥模塊、運動控制模塊、心電監(jiān)測模塊、語音交互模塊,本文著重介紹自動供藥模塊。

2.1 自動供藥模塊

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)

自動供藥模塊整體設(shè)置在機器人主體內(nèi)部,可以分為兩部分,一是位于上端的呈圓形分布的藥盒組,二是位于下端的無上底面的圓柱形藥物托盤與設(shè)置在機器人體外的出藥口,兩者通過位于圓心的主軸相連接。藥盒組由多個自動化控制藥盒連接至主軸構(gòu)成,每個藥盒都是獨立的,可以依據(jù)不同的使用情況隨時從主軸上安裝或取下。圓柱形藥物托盤底部半徑略大于呈圓形分布的藥盒組的半徑,且其側(cè)面的高高于上方的藥盒組,同時下底面以一定的角度傾斜,底面的低端通過管道連接至出藥口。此構(gòu)造能保證托盤能接受藥盒中掉落的藥品并使其滑動至出藥口,出藥口放置一個置物小盒,通過電磁鎖扣與出藥口連接,可防止小盒因意外從出藥口上掉落,同時當全部藥物都滑至藥盒中后斷電,使用者才可以取下小盒,服用藥丸,以保證無藥物遺漏。

2.1.2 自動化控制藥盒與主軸結(jié)構(gòu)

自動化控制藥盒通過外部連接裝置與主軸相連,主軸中包含了控制器、存儲器、電源、藍牙模塊等核心器件。每個自動化控制藥盒的一側(cè)都有由特殊的滑軌構(gòu)成的物理連接模塊,可以與主軸上相對應(yīng)的滑軌凹槽相連接,同時滑軌上設(shè)置有充電觸點,物理連接建立的同時通過觸點為藥盒內(nèi)設(shè)置的電池模塊充電,主軸與自動化控制藥盒通過藍牙模塊相連接,可識別藥盒及其內(nèi)部藥物相關(guān)信息,并將信息存貯在主軸內(nèi)部的存儲器中。

自動化控制藥盒內(nèi)部包含藥丸儲藥倉和傳送管道兩部分,見圖2、圖3。藥丸儲藥倉呈漏斗狀可通過底部開口能自動調(diào)節(jié)的出藥口大小,出藥口連接傳送管道入口。藥丸掉落在設(shè)有傳送帶與等間距的豎直隔斷的環(huán)形傳送管道的傳送帶上,環(huán)形傳送管道除進出口以外全程密封,主要由齒輪、履帶、隔板以及外部管道構(gòu)成。以定時程序通過控制電機帶動齒輪的旋轉(zhuǎn),使藥丸通過傳送帶運輸至管道的出口,然后掉落在下方的圓柱形藥物托盤中。同時在環(huán)形傳送管道的出入口都設(shè)有紅外傳感器,以檢測藥物是否正常掉落和掉落的數(shù)量是否正確。

圖2 自動化控制藥盒藥丸儲藥倉示意圖

圖3 傳送管道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 心電監(jiān)測模塊

心電監(jiān)測模塊能由STM32芯片、心電采集傳感器ad8232以及單導聯(lián)線(三個電極)構(gòu)成,能夠模擬心電監(jiān)測并在心率異常時報警的功能。我們平時在醫(yī)院見到的心電圖所用的導聯(lián)線為十二導聯(lián),使用起來較為復(fù)雜,不適用于全天貼身監(jiān)測。而單導聯(lián)線由三個電極構(gòu)成,使用時貼在心臟附近的指定位置,測量的結(jié)果更為準確。

2.3 語音交互模塊

語音交互模塊可模擬語音控制電燈、風扇、電視機等家用電器的功能。用戶需要呼喚“看護機器人”來跟其對話,我們設(shè)置了四種情景:一是“開燈”,當機器人聽到該指令后就會執(zhí)行開燈的動作；二是“查詢天氣”,當機器人聽到該指令后會告知用戶明日的天氣；三是“打開風扇”,當機器人聽到該指令后會啟動電機(電機上有電扇片),達到打開風扇的效果；四是“打開電視”,當機器人聽到該指令后會啟動LED屏,達到打開電視的效果；關(guān)閉的指令和達到的效果與上述類似,不再贅述。語音識別模塊原理框圖如圖4。

圖4 語音交互模塊原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 超聲波避障程序設(shè)計

超聲波避障軟件程序主要由主程序、定時子程序、電機驅(qū)動程序組成,開始之初定時器示初始化,打開中斷允許,啟動超聲波模塊,再收到回波信號繼而計算距離驅(qū)動電機轉(zhuǎn)向,其避障主要算法流程圖如圖5所示。

圖5 超聲波避障程序框圖

3.2 心電監(jiān)測裝置程序設(shè)計

心電監(jiān)測裝置主要完成下位機數(shù)據(jù)采集的收集和保存、利用下位機傳輸?shù)男畔⒁约皬奈募凶x取的數(shù)據(jù)進行心電波形繪制、保存心電波形的特點等功能。在檢測的過程中,若電壓值持續(xù)下降且逼近0,則立即發(fā)出報警信號,算法流程圖如圖6所示。

圖6 心電監(jiān)測裝置程序框圖

3.3 語音交互模塊程序設(shè)計

智能看護機器人的語音交互設(shè)計可以大大提高機器人的工作效率,其主要程序包括語音識別、語音理解和語音合成。初始化語音識別模塊時,看護人處于待機狀態(tài)以便監(jiān)聽語音輸入。當成功獲取語音信息時,判斷是否為有效語音識別,在有效語音識別的情況下將輸入的語音消息映射為語音消息指令,即向下位機發(fā)送控制指令。其主要控制算法的流程圖如圖7所示。

圖7 語音交互模塊程序框圖

3.4 自動供藥系統(tǒng)測試

在傳送管道入口處和傳送管道出口處都設(shè)有紅外傳感器,若有藥物落下,屆時電平升高。如圖8所示,傳送管道入口處的紅外傳感器檢測到藥物下落,電壓升高,0.5 秒之后傳送管道出口處檢測到藥物順利傳出,后續(xù)的藥物間隔2秒后相繼被檢測到順利送出,未出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象。

圖8 傳送管道紅外檢測結(jié)果

4 結(jié)論

看護服務(wù)機器人能實現(xiàn)在養(yǎng)老機構(gòu)內(nèi)自主導航、語音識別、信息存儲、人員搭載、物品運輸、生命體征監(jiān)測以及每日定時供藥等日常看護工作。機器人內(nèi)置強大的數(shù)據(jù)庫存儲查詢系統(tǒng),快速地獲取老人的基本信息,方便醫(yī)護人員實時查詢每位老人的床位和健康狀況。機器人身體前后裝有電磁鎖扣,可與輪椅及踏板相連接,隨時變身成為老人和醫(yī)護人員的代步工具。機器人還能夠通過智能手環(huán)實時監(jiān)測老人的生命體征,如有異常則可快速地反饋給醫(yī)生,呼叫醫(yī)護人員及時救治。機器人體內(nèi)設(shè)計有自動供藥裝置,定時向老人提供配好的藥物,避免老人忘吃藥或吃錯藥的情況發(fā)生。

在智能養(yǎng)老的大趨勢下,該看護服務(wù)機器人能夠融合進養(yǎng)老機構(gòu)內(nèi)并發(fā)揮高效作用,在后續(xù)過程不斷優(yōu)化看護服務(wù)和兼容性,力爭更高的實際應(yīng)用價值。經(jīng)過測試,看護機器人功能強大,能夠提高醫(yī)護人員的工作效率、降低工作強度,同時能有效減少人員間的接觸,降低傳染性疾病的傳染風險,具有較高的技術(shù)推廣價值和市場應(yīng)用價值。