基于激光SLAM技術(shù)的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人電控設(shè)計研究

李一帆，蔣恒新，梁進(jìn)，羅騰涵，王露

（重慶交通大學(xué)，重慶，400074）

0 引言

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人技術(shù)是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究價值，在軍用和民用中有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。目前，在我國醫(yī)療機(jī)器人市場中，康復(fù)機(jī)器人占比最大，約為41%；手術(shù)機(jī)器人占比相差不大，分別為 17%、16%[2]。醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人主要包括醫(yī)療問診、醫(yī)院物流、影像定位等類型[3]。疫情以來，各種智能機(jī)器人在醫(yī)院診療體系中發(fā)揮所長。物流機(jī)器人不僅分擔(dān)了不同時段的配送藥品任務(wù)，減少患者等待用藥的時間，還降低了因人工配送產(chǎn)生交叉感染的風(fēng)險，最大限度的保護(hù)了醫(yī)患的健康和安全?；卺t(yī)療服務(wù)機(jī)器人的板塊尚未普及，未來市場發(fā)展?jié)摿薮?，本文擬設(shè)計一種實現(xiàn)醫(yī)療物資配送，降低人工成本的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，以此來提高醫(yī)院日常運(yùn)營和服務(wù)效率，讓醫(yī)護(hù)人員將精力集中在為患者提供診療服務(wù)上，讓老百姓體驗到更加智能、高效、舒暢的就醫(yī)體驗。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示，本設(shè)計是以樹莓派4B為主控制器，STM32F103為從控制器的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人通過從控制模塊將電機(jī)編碼器與加速度傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)融合后得到里程計數(shù)據(jù)，接著主控制模塊綜合里程計、慣性導(dǎo)航和激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)，利用激光SLAM技術(shù)進(jìn)行實時建圖，建圖完畢后保存地圖。上位機(jī)遠(yuǎn)程確定行走目標(biāo)點(diǎn)后，主控制器進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，之后利用激光雷達(dá)和慣性導(dǎo)航實時采集的數(shù)據(jù)通過局部路徑規(guī)劃算法前往目標(biāo)點(diǎn)，完成自主避障導(dǎo)航。監(jiān)測模塊實時獲取前方圖像信息并傳輸至通信模塊，通信模塊將實時采集到的圖像和機(jī)器人的姿態(tài)信息傳輸至上位機(jī)，以便實時觀察機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)（若有突發(fā)狀況，相關(guān)人員可及時前往查看），從而保持高效的工作狀態(tài)。驅(qū)動模塊可驅(qū)動機(jī)器人行走（如遇突發(fā)情況可緊急制動）。機(jī)器人內(nèi)部放藥區(qū)采用升降放置平臺，在用戶取藥的時，可通過掃描病人二維碼的方式打開該病人的藥物放置倉，以確保藥品的精確送達(dá)。顯示模塊顯示當(dāng)前機(jī)器人的姿態(tài)與藥品等相關(guān)信息，方便相關(guān)人員查看。通過ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊可用于檢測電池模塊剩余電壓，根據(jù)功率計算剩余運(yùn)行時間，以便低電量時即使充電避免影響正常使用。過充過放保護(hù)模塊用于控制充電速度，防止電源在長時間使用后，因多次過充和過放導(dǎo)致電池壽命下降。穩(wěn)壓模塊用于保證裝置各個部分供電穩(wěn)定，能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

■2.1 加速度傳感器模塊

本設(shè)計使用的加速度傳感器模塊采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速求解出裝置當(dāng)前的實時運(yùn)動姿態(tài)；采用數(shù)學(xué)積分及運(yùn)動估算，解算出高精度旋轉(zhuǎn)角度，避免出現(xiàn)大幅度誤差；內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，能夠在動態(tài)環(huán)境下精確輸出裝置當(dāng)前姿態(tài)，穩(wěn)定度極高。從控制器通過串口獲取該模塊檢測到的偏航角與角加速度，利用這些數(shù)據(jù)與輪式編碼器的數(shù)據(jù)解算出里程計數(shù)據(jù)，為建圖提供精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

■2.2 激光雷達(dá)模塊

本設(shè)計采用思嵐RPLIDAR-AIM8激光雷達(dá)，可對周圍環(huán)境進(jìn)行360度全方位掃描測距，從而獲得周圍環(huán)境的輪廓圖。內(nèi)置了9自由度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可在高低起伏、存在傾角的手持建圖模式下正常工作，保證很好的建圖數(shù)據(jù)質(zhì)量。無論是室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，還是室外強(qiáng)光直射環(huán)境，出色的展現(xiàn)出其面對室內(nèi)外復(fù)雜場景地圖構(gòu)建和定位的能力。該模塊通過USB與主控制器相連，主控制器通過USB不斷獲取雷達(dá)深度信息，并將其與里程計信息相結(jié)合完成建圖與導(dǎo)航工作。

■2.3 顯示模塊

本裝置顯示模塊采用LCD顯示屏，通過顯示模塊可以查看機(jī)器人運(yùn)動、電池剩余電量、已放置藥品數(shù)量和藥品是否被取走等信息，方便醫(yī)護(hù)人員和患者的使用，提高運(yùn)行效率。該LCD顯示屏通過常規(guī)HDMI線與樹莓派進(jìn)行通信，樹莓派將相關(guān)數(shù)據(jù)處理后顯示在屏幕上反饋給用戶。

3 建圖與導(dǎo)航

■3.1 里程計數(shù)據(jù)解算

里程計是反映機(jī)器人每時每刻坐標(biāo)姿態(tài)變化的信息，是機(jī)器人建圖導(dǎo)航不可或缺的數(shù)據(jù)之一。里程計信息則需要機(jī)器人底盤的運(yùn)動學(xué)模型與相關(guān)傳感器測量的數(shù)據(jù)相結(jié)合解算出。本設(shè)計采用的是兩輪差分底盤，由于正常機(jī)器人運(yùn)動時有x，y，z三軸自由度，而驅(qū)動差分底盤則只需要左右輪的速度便可以，所以該底盤是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)。對于該底盤來說，機(jī)器人每時每刻運(yùn)動時的軌跡都可以看成是一個圓弧，當(dāng)機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)時軌跡是一個半徑為零的圓弧，當(dāng)直線行走時軌跡是一個半徑趨近于無窮大的圓弧。由于該底盤的機(jī)器人無法進(jìn)行平移運(yùn)動且運(yùn)動軌跡是一個圓弧，所以運(yùn)動學(xué)模型主要是運(yùn)動的線速度與角速度。根據(jù)圓弧運(yùn)動中線速度、角速度和運(yùn)動半徑之間的關(guān)系，我們便可以推算出底盤的線速度與角速度公式：

■3.2 Gmapping建圖

本設(shè)計采用Gmappinng建圖方法對醫(yī)院室內(nèi)進(jìn)行建圖，該方法集成了Rao-Blackwellized粒子濾波算法。gmapping功能包訂閱機(jī)器人的深度信息、IMU信息和里程計信息，同時完成一些必要參數(shù)的配置，即可創(chuàng)建并輸出基于概率的二維柵格地圖。在獲取雷達(dá)和里程計信息后，樹莓派有必要知道各坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，在ROS中稱為tf變換。其中必須的tf變換為→base_link，即激光雷達(dá)坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的變換，此處使用static_transform_publisher發(fā)布；map→odom，即地圖坐標(biāo)系與機(jī)器人里程計坐標(biāo)系之間的變換，機(jī)器人在地圖中的位姿：imu→base_link，即imu坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系之間的變換，以更精確的確定機(jī)器人的位置。建圖狀態(tài)如圖2所示，機(jī)器人可根據(jù)所建地圖完成送藥任務(wù)。

圖2 建圖狀態(tài)圖

■3.3 自主導(dǎo)航算法

ROS中的自主導(dǎo)航是基于move_base這個導(dǎo)航關(guān)鍵功能包。自主導(dǎo)航較之建圖多了定位手段，amcl功能包采用蒙特卡羅定位方法，用大量粒子來估計機(jī)器人位姿，粒子最密集處為amcl估算機(jī)器人在地圖坐標(biāo)系的位姿信息。

在導(dǎo)航過程中，move_base提供全局路徑規(guī)劃和本地實時規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃采用Dijkstra算法規(guī)劃全局最優(yōu)路徑。本地實時規(guī)劃采用適合于機(jī)器人底盤形狀的Dynamic Window Approaches算法，搜索躲避和行進(jìn)的多條路徑，綜合各評價標(biāo)準(zhǔn)選取最優(yōu)路徑。該規(guī)劃提供多種接口，如goal：發(fā)布任務(wù)目標(biāo)；cancel：請求取消任務(wù)；status：通知客戶端當(dāng)前的狀態(tài)等。機(jī)器人在加入自主導(dǎo)航功能后，便有了基本的完成送藥的能力。

4 二維碼檢測與識別

本設(shè)計通過OPENCV完成對二維碼的檢測與識別，首先創(chuàng)建一個QRCodeDetector類的對象，然后調(diào)用dete ctAndDecode()函數(shù)完成對二維碼的檢測與識別。該函數(shù)首先獲取攝像頭圖像并檢測是否有二維碼存在，當(dāng)檢測到二維碼存在后，便開始搜索二維碼的位置探測圖形，即QR二維碼中三個頂點(diǎn)處的“回”字區(qū)域，以此確定二維碼在圖像中的位置，然后對其進(jìn)行解碼獲取字符信息并返回。樹莓派獲取二維碼字符信息后，確定用戶身份信息是否正確，如正確便開啟艙門，使用戶完成取藥。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)開始后，首先將上位機(jī)和下位機(jī)初始化，下位機(jī)通過通信模塊接受上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制指令，控制電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人圍繞所在空間行走，期間下位機(jī)不斷獲取來自激光雷達(dá)、輪式編碼器與加速度傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并利用Gmapping功能包進(jìn)行實時建圖并保存地圖，同時將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)使其顯示實時建圖過程。當(dāng)需要配送藥品時，醫(yī)護(hù)人員首先將藥品放置升降平臺上，然后通過上位機(jī)遠(yuǎn)程確定配送目標(biāo)點(diǎn)，之后下位機(jī)利用建立好的地形圖進(jìn)行全局路徑規(guī)劃并開始配送。配送期間下位機(jī)不斷接收來自各個傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，通過局部路徑規(guī)劃與全局路徑規(guī)劃實現(xiàn)機(jī)器人的自主避障導(dǎo)航，并控制機(jī)器人前往配送地點(diǎn)。抵達(dá)配送點(diǎn)后，取藥人員可通過掃描患者二維碼認(rèn)證身份信息，機(jī)器人確認(rèn)取藥人員身份信息后，打開艙門升起升降放置平臺,同時顯示模塊顯示藥品相關(guān)信息，方便取藥。在行進(jìn)過程中，下位機(jī)不斷傳輸攝像頭采集的圖像和機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)等信息至上位機(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后顯示攝像頭圖像與機(jī)器人姿態(tài)等信息以便工作人員查看。當(dāng)工作人員通過攝像頭圖像確定出現(xiàn)異常情況時，可及時通知相關(guān)人員前往現(xiàn)場處理。在藥品全部被取出后，機(jī)器人返回起點(diǎn)，完成一個工作任務(wù)。升降放置平臺升起和降落狀態(tài)如圖3和圖4所示。

圖3 升降裝置升起示意圖

圖4 升降裝置降落示意圖

6 結(jié)論

本設(shè)計是基于激光SLAM技術(shù)的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，通過將激光雷達(dá)，慣性導(dǎo)航模塊，加速度傳感器模塊和輪式編碼器模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并利用激光SLAM技術(shù)進(jìn)行實時建圖并保存。在接收到遠(yuǎn)程發(fā)送的目的地信息后，機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃并通過自主避障導(dǎo)航算法前往目的地，實現(xiàn)藥品的送達(dá)。針對目前疫情期間在醫(yī)護(hù)人員配送藥品時容易產(chǎn)生交叉感染的情況，本設(shè)計很好的實現(xiàn)了藥品的無接觸配送，降低了醫(yī)患人員發(fā)生交叉感染的概率，并且不會影響醫(yī)院的正常運(yùn)行，提高了醫(yī)院的日常運(yùn)行與服務(wù)效率。這種能夠?qū)崿F(xiàn)藥品無接觸配送，節(jié)約時間與人力的智慧醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，不僅滿足了如今疫情期間降低感染率的需求，也符合如今醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般在醫(yī)院、家庭及非特定的多種場合，具有移動性與導(dǎo)航、識別及規(guī)避能力，以及智能化的人機(jī)交互界面；在需要人工控制的情況下，還要具備遠(yuǎn)程控制能力[4]的特點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。