基于視覺識別技術(shù)的醫(yī)藥品智能識別方法設(shè)計

倪秉軒 袁鵬凱 張慶旭 陳學琪

摘要：在醫(yī)藥，食品，3C行業(yè)存在著大量輕小物料分揀存取的作業(yè)環(huán)境。為避免傳統(tǒng)用人方式中效率低下，用工難，成本高等問題，團隊主要針對于醫(yī)療用品及藥品分揀和發(fā)放設(shè)計出醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人，機器人以STM32F103為主控芯片，運用機械臂在配合視覺識別的基礎(chǔ)上完成傳送帶上雜亂無章產(chǎn)品的快速分揀，搬運等環(huán)節(jié)，替代現(xiàn)場人工大量重復(fù)性勞動。設(shè)備端的MCU內(nèi)置藍牙串口和WiFi模塊，可實現(xiàn)遠程操作、實時監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：STM32;視覺識別;機器人

1 引言

當今社會就醫(yī)面臨的突出矛盾和困難主要為“看病難”，由于優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源相對于居民需求的不足，造成患者去大醫(yī)院看專家“難”。突出表現(xiàn)為許多人看小傷小病也涌到大醫(yī)院，大醫(yī)院人滿為患。這形成了就醫(yī)等待時間長，看病困難的局面。在醫(yī)院藥房取藥時，人工操作需要醫(yī)護人員大量的時間及精力用于對患者的藥物藥品的分揀與發(fā)放。為提升基層醫(yī)療資源配置和服務(wù)能力，降低群眾就醫(yī)成本;規(guī)范醫(yī)療用品及藥品的分揀和發(fā)放，合理運用醫(yī)院人力資源;減少人員密集接觸，減少患者在醫(yī)院停留時間。設(shè)計基于視覺識別技術(shù)的醫(yī)藥品智能機器人，應(yīng)用基于視覺識別技術(shù)的醫(yī)藥品智能識別方法，從減少醫(yī)療物資存取時間為切入點，解放醫(yī)院工作者勞動力，提供更多靈活性、提升成本效益，進而改善就醫(yī)環(huán)境、就醫(yī)效率，幫助改善“看病難”現(xiàn)狀。

設(shè)計也適用于小型快遞網(wǎng)點、倉庫等輕小物料分揀存取的工作環(huán)境?？山鉀Q生活中的難題，為大眾帶來便利，并結(jié)合新常態(tài)下產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，順應(yīng)當今產(chǎn)業(yè)發(fā)展由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變的洪流趨勢，為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計

機器人存在的意義就是為人服務(wù)，其具備工具、經(jīng)濟、技術(shù)、社會屬性。隨著運行、使用成本高等難題的解決，人工智能與機器人的融合正成為新趨勢。然而國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展包括研發(fā)試驗、機器人本體和零部件產(chǎn)業(yè)化、系統(tǒng)集成技術(shù)等每一個產(chǎn)業(yè)從整體來看，產(chǎn)品以低端為主，我國大部分機器人企業(yè)目前集中在集成領(lǐng)域，加工組裝企業(yè)占多數(shù)，國產(chǎn)六軸工業(yè)機器人占全國工業(yè)機器人新裝機量不足10%;在核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高可靠性基礎(chǔ)功能部件、系統(tǒng)工藝應(yīng)用解決方案以及主機批量生產(chǎn)等方面，距發(fā)達國家還有相當大的差距。

醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人項目的研究根據(jù)市面上的分揀機器人為對照，從造價及操作方式等方面進行改進，我們的醫(yī)藥品智能分揀系統(tǒng)能夠準確地將藥物識別并將其存放或取出于準確位置，控制系統(tǒng)通過選擇基礎(chǔ)單元元件來完成系統(tǒng)程序的初始化，機械關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動、網(wǎng)上實時監(jiān)視與控制，出色地完成操作人員指定任務(wù)要求，其本身有價格低廉、性價比高、體積小、易操作、普適性強等特點。

智能醫(yī)藥分揀機器人在軟件和硬件上均采用模塊化設(shè)計，根本是由主控模塊、圖像采集模塊、電機驅(qū)動模塊、電源穩(wěn)壓模塊、機械臂模塊組成。

3.硬件設(shè)計與完成

3.1核心控制模塊

STM32F103 ARM最小系統(tǒng)：STM32F103芯片是由ST（意法半導體）公司推出的一種ARM芯片，其內(nèi)核是ARM 32位的Cortex-M3，其內(nèi)核最高72MHz工作頻率。閃存程序存儲器從16K到512K字節(jié)的，SRAM最大64K字節(jié)。STM32F103 ARM最小系統(tǒng)主要是由晶振電路、復(fù)位電路和電源電路組成。

在使用STM32和機械臂通訊時，其實就是控制舵機，給舵機輸入PWM信號，來控制其旋轉(zhuǎn)到不同的角度。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM 信號是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加載到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。所以只要帶寬足夠，我們就可以使用PWM進行編碼。想要輸出PWM信號就得用上TIM定時器，而基本定時器沒有PWM信號的輸出功能，所以只能選用通用定時器和高級定時器。以通用定時器為切入口，除了基本的定時器的功能外，還具有測量輸入信號的脈沖長度（ 輸入捕獲） 或者產(chǎn)生輸出波形（ 輸出比較和PWM），通用定時器的時鐘來源有：內(nèi)部時鐘（CK_INT）、外部時鐘模式1：外部輸入腳（TIx）、外部時鐘模式2：外部觸發(fā)輸入（ETR）、內(nèi)部觸發(fā)輸入（ITRx）：也就是使用一個定時器作為另一個定時器的預(yù)分頻器。我們可以通過“‘開啟該外設(shè)的時鐘’、‘配置初始化結(jié)構(gòu)體（如果有對應(yīng)的GPIO還需要初始化該GPIO）’、‘調(diào)用結(jié)構(gòu)體初始化函數(shù)’”的方式輸出PWM信號編碼所需模擬值達到控制機械臂的目的。

3.2視覺識別模塊設(shè)計

運用視覺識別技術(shù)識別各種已有藥物藥品，根據(jù)指令通過機器人進行自動分析及分類。視覺識別采用MaixBit開發(fā)板，采用的芯片是k210。它的內(nèi)核主要采用的是RISC-V Dual Core 64bitwith FPU，其主頻為400MHz。靜態(tài)處理器選用的是內(nèi)置的8MByte。在圖像識別模塊，用到的是QVGA@60fps/VGA@30fps添加語音模塊，語音識別用到的是麥克風陣列（8mics）?？梢酝ㄟ^視覺攝像頭拍攝到藥物藥品的圖像，識別后通過信息處理，再通過通信口進行視覺傳感器和STM32之間的通信，將信息傳輸給STM32。通過設(shè)置指令進行通訊，再通過指令進行數(shù)據(jù)的傳輸，接傳輸指令后STM32極速進行內(nèi)部識別判斷，準確對指令進行數(shù)據(jù)傳輸，通過 STM32與機械臂通信，將正確的所需的藥物藥品進行分揀拾取。藥物藥品可以根據(jù)種類存放在相應(yīng)的存儲空間或根據(jù)處方將藥物藥品發(fā)放到患者手中。還可以用視覺系統(tǒng)識別醫(yī)療用品，如手術(shù)刀、紗布、剪子等。

4.視覺識別算法設(shè)計

4.1識別底層算法

每一個底層單元也可以被稱作是Logistic回歸模型。當將多個單元組合起來并具有分層結(jié)構(gòu)時，就形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。如圖1展示了一個具有一個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

在圖像處理時，往往把圖像表示為像素的向量，比如一個1000×1000的圖像，可以表示為一個1000000的向量。在上一節(jié)中提到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，如果隱含層數(shù)目與輸入層一樣，即也是1000000時，那么輸入層到隱含層的參數(shù)數(shù)據(jù)為1000000×1000000=10^12。所以圖像處理要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必先減少參數(shù)加快速度。

在局部連接中，每個神經(jīng)元都對應(yīng)100個參數(shù)，一共1000000個神經(jīng)元，如果這1000000個神經(jīng)元的100個參數(shù)都是相等的，那么參數(shù)數(shù)目就變?yōu)?00。將這100個參數(shù)（也就是卷積操作）看成是提取特征的方式，該方式與位置無關(guān)。這其中隱含的原理則是：圖像的一部分的統(tǒng)計特性與其他部分是一樣的。所以對于這個圖像上的所有位置，都能使用同樣的學習特征。

4.2 控制算法設(shè)計

系統(tǒng)核心處理器選擇的是STM32的F103系列芯片。視覺識別模塊和STM32通信時，收發(fā)控制器根據(jù)寄存器配置，對數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)移部分的移位寄存器進行控制。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，內(nèi)核或DMA外設(shè)把數(shù)據(jù)從內(nèi)存（變量）寫入到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TDR后，發(fā)送控制器將自動把數(shù)據(jù)從TDR加載到發(fā)送移位寄存器，然后通過串口線TX，把數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送出去。對于K210芯片的訓練，使用MixHub平臺進行訓練，需要做的是目標檢測，并給出物體的具體位置信息。

5 結(jié)論

設(shè)計STM32F103 ARM芯片設(shè)計醫(yī)藥品智能識別控制系統(tǒng)，研究和應(yīng)用基于視覺識別技術(shù)的醫(yī)藥品智能識別方法。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，每個功能使用相應(yīng)功能模塊電路，安裝調(diào)試方便。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，搬運物品方便快捷。機械臂自動分揀系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地解放人的雙手，機械裝置能夠替代人員去從事絕大部分繁重，重復(fù)性勞動，在保證貨物質(zhì)量的情況下，大幅度提高工作效率。

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)蒸蒸日上的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)理論在面向?qū)ο筮^程中得到的實踐，機械臂操作系統(tǒng)技術(shù)方面的研究也得到了不斷的創(chuàng)新，并將為社會創(chuàng)造巨大的財富。

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基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“醫(yī)藥品智能分發(fā)機器人”（項目號：202110066024）

作者簡介：倪秉軒（2001-），男，本科生，自動化（電氣技術(shù)教育方向）專業(yè)。