基于機(jī)器視覺手勢(shì)識(shí)別的智能翻身病床

摘 要：長(zhǎng)期臥病在床的病人如果經(jīng)常保持同一個(gè)姿勢(shì)躺著，很容易引起壓瘡等一系列衛(wèi)生問題，因此經(jīng)常需要醫(yī)護(hù)人員幫助病人翻身清洗背部。但由于醫(yī)護(hù)人員和家人的疏忽，病人常常會(huì)因不能及時(shí)得到照顧而在心理和身體上感到不適。為了減輕監(jiān)護(hù)人員的壓力，使用Arduino控制和OpenCV以及MediaPipe機(jī)器視覺學(xué)習(xí)中的Hands手勢(shì)識(shí)別控制設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)翻身的智能病床。這種病床不僅可以讓監(jiān)護(hù)人員通過藍(lán)牙通信遠(yuǎn)程控制病床，還可以讓病人自己使用手勢(shì)控制病床幫助自己翻身。這將使半自理病人能夠在住院期間獲得更多的照顧，從而更快恢復(fù)。經(jīng)過測(cè)試，設(shè)計(jì)的功能基本能夠滿足病人日常護(hù)理的需要，為智能病床的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：Arduino；OpenCV；MediaPipe；機(jī)器視覺；手勢(shì)識(shí)別；智能翻身病床

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）12-0-04

0 引 言

我國老年人數(shù)量已達(dá)總?cè)丝诘?0.46%左右，其中有80%～90%老年人患有各種慢性病，而臥床不起者占到老年人總數(shù)的3%左右[1]。家庭病床可作為醫(yī)院床位的補(bǔ)充，代替一部分醫(yī)療和?？品?wù)，從而緩解醫(yī)院床位緊張的情況，避免交叉感染，有利于醫(yī)療保險(xiǎn)與預(yù)防保健[2]。據(jù)調(diào)查顯示，床表用品管理和床的傾斜角度調(diào)整是護(hù)理工作中2個(gè)最具挑戰(zhàn)和最耗時(shí)的環(huán)節(jié)。由于人為錯(cuò)誤和疏忽，病人極易出現(xiàn)壓瘡等衛(wèi)生問題。如果不能及時(shí)幫助病人翻身和清理，將會(huì)讓病人受到心理和身體上的雙重折磨。因此，開發(fā)一種能夠自動(dòng)幫助病人翻身的病床是十分有必要的。

在機(jī)器視覺領(lǐng)域主要研究如何利用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取、處理并理解信息，相應(yīng)成果已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制等領(lǐng)域[3]。基于機(jī)器視覺的手勢(shì)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)新一代人機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù)[4]。文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了用手勢(shì)控制調(diào)節(jié)音量的功能，文獻(xiàn)[6]利用手勢(shì)識(shí)別技術(shù)開發(fā)了視力檢測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]研制出了手勢(shì)控制的娛樂機(jī)器人，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了手勢(shì)識(shí)別門禁等。本文基于機(jī)器視覺手勢(shì)識(shí)別原理，結(jié)合藍(lán)牙通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款智能翻身病床，用戶只需簡(jiǎn)單的手勢(shì)就能控制電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)病床位姿的調(diào)整。

本文所設(shè)計(jì)的智能翻身病床對(duì)于半自理病人而言，能夠通過自主調(diào)節(jié)病床的傾角來達(dá)到最舒適的角度。這種方式在很大程度上減輕了監(jiān)護(hù)人的工作負(fù)擔(dān)，而基于機(jī)器視覺的新型手勢(shì)識(shí)別方式為病人的生活增添了一份樂趣，有助于增強(qiáng)他們對(duì)生活的信心，促進(jìn)身體康復(fù)。

1 病床設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

病床系統(tǒng)所用的電子器件包括Arduino UNO開發(fā)板、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器、電動(dòng)推桿、電源、藍(lán)牙模塊HC-05、振動(dòng)傳感器模塊、角度傳感器模塊、蜂鳴器以及若干杜邦線。病床主體由鋁材棒、木板以及通過3D打印制作的連接件組成。利用合適長(zhǎng)度的切割鋁材棒、螺絲以及鋁制連接件搭建病床的骨架部分，并將木板作為病床的床板。為了能夠支撐病人的體重，選用了一款供電電壓12 V、推力800 N，且推動(dòng)距離在10～50 mm的電動(dòng)推桿。這些組件通過組合，最終實(shí)現(xiàn)了幫助病人翻身的功能。病床的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)

Arduino是一個(gè)便捷的微控制器，它小巧且易于使用，能夠外接多種單片機(jī)接口[9]。對(duì)于控制電動(dòng)推桿的正反轉(zhuǎn)這一主要功能以及其他輔助功能來說，無需復(fù)雜的代碼，因此選用Arduino UNO開發(fā)板在實(shí)現(xiàn)所需功能的同時(shí)還能有效降低成本。

本系統(tǒng)選用HC-05藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)串口之間的無線通信。該模塊連接TX和RX引腳，支持使用標(biāo)準(zhǔn)AT命令。用戶在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入特殊命令模式，然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)模式，從而進(jìn)入無線通信狀態(tài)。系統(tǒng)工作時(shí)，波特率為9 600 b/s，藍(lán)牙穩(wěn)定傳輸信息。該模塊具有性價(jià)比高、靈敏度高、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)[10]。藍(lán)牙模塊可與智能手機(jī)建立連接，實(shí)現(xiàn)Arduino UNO開發(fā)板與智能手機(jī)的雙向通信[11]，監(jiān)護(hù)人能夠通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制病床翻轉(zhuǎn)。

1.3 功能設(shè)計(jì)

（1）遠(yuǎn)程控制。通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙調(diào)試器通信，用戶可以控制病床的翻轉(zhuǎn)、呼叫等功能，并能及時(shí)反饋病人的需求。

（2）智能手勢(shì)檢測(cè)控制翻身。使用電腦進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別，并通過Arduino開發(fā)板進(jìn)行串口通信，從而控制病床翻轉(zhuǎn)。

（3）智能檢測(cè)異常狀況。將振動(dòng)傳感器和角度傳感器用于監(jiān)測(cè)病人的異常情況，如果病人或被子意外從床上掉落，開發(fā)板會(huì)向蜂鳴器發(fā)送信號(hào)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，提醒護(hù)士或監(jiān)護(hù)人及時(shí)處理。

1.4 功能說明

本文所設(shè)計(jì)的智能翻身病床可以通過2種方式驅(qū)動(dòng)：藍(lán)牙通信和串口通信。

采用藍(lán)牙通信時(shí)，首先開啟智能手機(jī)上的藍(lán)牙調(diào)試器搜索名為“藍(lán)牙模塊”的設(shè)備。點(diǎn)擊連接后，使用者便可以通過智能手機(jī)上的藍(lán)牙調(diào)試器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。例如，在智能手機(jī)上輸入指令“1”，Arduino相應(yīng)的端口會(huì)發(fā)送低電平信號(hào)，由低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)的推桿便開始工作。當(dāng)輸入“2”時(shí)，推桿則停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通過設(shè)置命令來控制某一端口的高低電平變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。電路的工作電壓范圍為3～12 V。

采用串口通信時(shí)，將電腦攝像頭與Arduino共用同一個(gè)端口進(jìn)行輸入和輸出。例如，電腦讀取到“左上”的圖像信號(hào)時(shí)，PyCharm會(huì)通過串口將該信號(hào)傳送給Arduino開發(fā)板。在這個(gè)過程中，開發(fā)板上的某一端口會(huì)觸發(fā)高低電平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

2 電路設(shè)計(jì)

將藍(lán)牙模塊、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器、傳感器模塊、蜂鳴器的引腳分別與Arduino UNO的串口建立連接，電路仿真如圖2所示。

2.1 電動(dòng)推桿

電動(dòng)推桿兩頭各有一個(gè)行程限位開關(guān)，伸縮桿運(yùn)行到末端或者頂端后會(huì)自動(dòng)斷電。電動(dòng)推桿不會(huì)空轉(zhuǎn)燒機(jī)，任意位置切斷電源也可以停在當(dāng)前位置。電動(dòng)推桿在正反轉(zhuǎn)時(shí)，推桿做伸縮運(yùn)動(dòng)而非旋轉(zhuǎn)。

2.2 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器

電機(jī)控制器可有效控制電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過低電平觸發(fā)方式，可以保護(hù)所連接的元器件免受損壞。若正轉(zhuǎn)端口接收到低電平信號(hào)，則連接的電動(dòng)推桿開始正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)端口接收到低電平信號(hào)，則電動(dòng)推桿開始反轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入高電平時(shí)，電動(dòng)推桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化的電子訊響器，采用直流電壓供電。蜂鳴器在較低的電壓下啟動(dòng)，可以保護(hù)電路。當(dāng)傳感器模塊檢測(cè)到異常時(shí)，便會(huì)向蜂鳴器輸送低電平信號(hào)觸發(fā)報(bào)警。

2.4 振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器模塊是一種測(cè)量振動(dòng)的傳感器。它能感知振動(dòng)情況，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行記錄和處理。當(dāng)其應(yīng)用在病床時(shí)，如果檢測(cè)到床上有異常振動(dòng)，例如病人摔落床下，將會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

2.5 角度傳感器

角度傳感器模塊是一種測(cè)量角度的傳感器。當(dāng)它感受到病床異常傾斜時(shí)，也會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

2.6 3D打印件

在設(shè)計(jì)病床時(shí)，電動(dòng)推桿的最短距離（未伸長(zhǎng)時(shí)）必須小于或等于上下木板間的距離，使用3D打印件來補(bǔ)足剩余的長(zhǎng)度。將電動(dòng)推桿固定在病床位置的三分之二處，使其作用于病人的腰部位置。通過這種方式，電動(dòng)推桿能夠正常驅(qū)動(dòng)病床翻轉(zhuǎn)，同時(shí)確保病人在使用過程中的舒適性。

3 手勢(shì)識(shí)別設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)

本文采用OpenCV和MediaPipe Hands算法對(duì)手勢(shì)進(jìn)行捕捉，進(jìn)而將識(shí)別到的手勢(shì)轉(zhuǎn)化為對(duì)病床的控制。MediaPipe作為一個(gè)集成的機(jī)器視覺算法工具庫，可以識(shí)別手上的21個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的信息坐標(biāo)以及手指遮擋部分[12]。使用Arduino IDE編寫Arduino開發(fā)板對(duì)端口的控制代碼，并在PyCharm上設(shè)計(jì)手勢(shì)識(shí)別代碼，具體的代碼設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

本文的機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)包括1個(gè)USB工業(yè)攝像頭和1臺(tái)筆記本電腦。在電腦上編寫代碼驅(qū)動(dòng)攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，電腦進(jìn)行判斷之后會(huì)將識(shí)別到的結(jié)果通過串口傳送出去。

3.2 手勢(shì)設(shè)置

考慮到病人可能難以做出大幅度和難以記憶的手勢(shì)，本文根據(jù)人類的生活習(xí)慣，特別設(shè)置了通過左右手來控制病床翻轉(zhuǎn)的功能。在系統(tǒng)獲取圖像中的手部關(guān)鍵幀后，獲取大拇指、食指和中指的坐標(biāo)位置。通過分析3者之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了5種手勢(shì)用于控制病床的翻轉(zhuǎn)和暫停功能。

（1）左上，當(dāng)食指橫坐標(biāo)大于中指橫坐標(biāo)且食指縱坐標(biāo)大于中指縱坐標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)病床會(huì)向左上翻轉(zhuǎn)，在實(shí)際動(dòng)作中對(duì)應(yīng)為左手自然放置橫于胸前。

（2）左下，當(dāng)大拇指的橫坐標(biāo)小于食指橫坐標(biāo)且食指縱坐標(biāo)大于中指縱坐標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)病床會(huì)向左下翻轉(zhuǎn)，在實(shí)際動(dòng)作中對(duì)應(yīng)為左手自然放置于大腿處。

（3）暫停，當(dāng)大拇指橫坐標(biāo)大于食指且中指縱坐標(biāo)大于食指縱坐標(biāo)或大拇指橫坐標(biāo)小于食指橫坐標(biāo)且中指縱坐標(biāo)大于食指縱坐標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)病床暫停在當(dāng)前位置，在實(shí)際動(dòng)作中對(duì)應(yīng)為左手或右手面向攝像頭攤開。

（4）右上，當(dāng)食指橫坐標(biāo)小于中指橫坐標(biāo)且食指縱坐標(biāo)大于中指縱坐標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)病床會(huì)向右上翻轉(zhuǎn)，在實(shí)際動(dòng)作中對(duì)應(yīng)為右手自然放置橫于胸前。

（5）右下，當(dāng)大拇指的橫坐標(biāo)大于食指橫坐標(biāo)且食指縱坐標(biāo)大于中指縱坐標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)病床會(huì)向右下翻轉(zhuǎn)，在實(shí)際動(dòng)作中對(duì)應(yīng)為右手自然放置于大腿處。

文中設(shè)計(jì)的5種手勢(shì)按照介紹順序從左往右如圖4所示。

3.3 識(shí)別測(cè)試

抽選不同的人進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別測(cè)試，以評(píng)估在醫(yī)院面對(duì)不同病人時(shí)系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率。本次測(cè)試涵蓋了5種不同的手勢(shì)識(shí)別情況，并選擇十多個(gè)人前來測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1反映了對(duì)左上和左下識(shí)別準(zhǔn)確率略低于對(duì)右上和右下的識(shí)別準(zhǔn)確率。分析原因，可能是由于測(cè)試者大多數(shù)習(xí)慣使用右手。當(dāng)固定好攝像頭識(shí)別躺在床上的人時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論是對(duì)左手還是右手的識(shí)別精度均大大提高，因此認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是可行的。

3.4 其他說明

（1）工業(yè)相機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺的重要組成部分，但其使用時(shí)有可能會(huì)引發(fā)病人對(duì)隱私泄漏的擔(dān)憂?？梢詮囊韵聝煞矫娼鉀Q：第一，提前告知病人此攝像頭不具備視頻保存功能，以減輕病人的心理負(fù)擔(dān)；第二，可以對(duì)攝像頭進(jìn)行適當(dāng)偽裝，如裝飾成日常用品等，以減輕病人的不適感。

（2）在進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別時(shí)，病患只需按照說明輕松將手?jǐn)[放好，即可順利翻身。在使用過程中應(yīng)避免攝像頭識(shí)別到其他人的手，否則將會(huì)對(duì)識(shí)別效果產(chǎn)生一定影響。

（3）如果病患想關(guān)閉視覺識(shí)別功能，可以選擇在電腦上關(guān)閉程序，或者讓攝像頭連續(xù)識(shí)別到“暫?！钡氖謩?shì)5 s，視覺識(shí)別功能會(huì)自動(dòng)退出。

（4）為避免因機(jī)器視覺功能使用不當(dāng)造成的困擾，在病人期望使用手勢(shì)操控病床后，需要得到家人或醫(yī)護(hù)人員的允許，并在他們的監(jiān)督之下才可以使用。

4 結(jié) 語

本文采用機(jī)器視覺進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別，由藍(lán)牙系統(tǒng)作為輔助，以操控病床翻轉(zhuǎn)，幫助病患翻身。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確度高，操控簡(jiǎn)單。對(duì)于半自理病人來說可以自己調(diào)節(jié)病床，對(duì)于不能自理的病人可以由家人或護(hù)士代為調(diào)節(jié)，顯著減少了監(jiān)護(hù)人的工作量，及時(shí)滿足病人的需求。此病床能夠有效預(yù)防壓瘡和其他呼吸道疾病的發(fā)生，有助于病人的身心健康。本文設(shè)計(jì)的病床為國內(nèi)的醫(yī)療器械領(lǐng)域提供了一種創(chuàng)新，給病患帶來了福音。

參考文獻(xiàn)

[1]張藝瀠，王嘉淇，杜寧，等.我國家庭病床的發(fā)展?fàn)顩r及對(duì)策探討[J].黑龍江醫(yī)藥科學(xué)，2009，32（5）：69-70.

[2]王存亮，梁萬年.家庭病床作用、管理和存在問題的分析[J].中國全科醫(yī)學(xué)，2002（3）：206-208.

[3]段峰，王耀南，雷曉峰，等.機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].自動(dòng)化博覽，2002（3）：62-64.

[4]任海兵，祝遠(yuǎn)新，徐光，等.基于視覺手勢(shì)識(shí)別的研究綜述[J].電子學(xué)報(bào)，2000（2）：118-121.

[5]梁瑞.基于手勢(shì)識(shí)別的設(shè)備音量控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].家電維修，2023（11）：52-55.

[6]李昌鋒，童文琴，林蔚.基于動(dòng)態(tài)手勢(shì)跟蹤算法的視力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2023，44（7）：27-33.

[7]潘言心，吳涓，朱興隆，等.三維骨骼特征融合技術(shù)在娛樂機(jī)器人系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù)，2023，42（12）：11-17.

[8]張斌，徐榕澤，龐昊，等.基于STM32的非接觸式手勢(shì)識(shí)別門禁設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2023，23（7）：84-87.

[9]魯志偉，閆金萌.基于Arduino的智能家居無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信與信息技術(shù)，2023（2）：13-16.

[10]王康，王奧宇，司一鳴.智能養(yǎng)老床設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（12）：135-138.

[11]吳斌，胡勇虎，趙文建.融合物聯(lián)傳感的HPLC和藍(lán)牙雙模通信系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（11）：50-54.

[12]武洪萍，王聰，張磊，等.基于MediaPipe與機(jī)器學(xué)習(xí)模型融合的手勢(shì)識(shí)別框架[J].信息與電腦（理論版），2023，35（10）：176-179.

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202310376028）

作者簡(jiǎn)介：趙宗耀（2004—），男，就讀于皖西學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)。

鳳梓承（2003—），男，就讀于皖西學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)。

趙子言（2000—），男，就讀于皖西學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)。

周 軍（1977—），男，博士，教授，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)。