李寧 宋青山 李嘉豪 余耀 王磊

摘 要：智能化機(jī)器人研究是當(dāng)今科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，而機(jī)器人向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展更有其重要的現(xiàn)實(shí)意義與長(zhǎng)遠(yuǎn)的研發(fā)價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的查房、送藥、搬運(yùn)、呼叫等功能，利用智能送藥、高清液晶屏、攝像測(cè)溫、導(dǎo)航與智能避障、語(yǔ)音控制、自動(dòng)充電等技術(shù)，并對(duì)其軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一定的描述。該醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景，本文介紹的機(jī)器人的構(gòu)造和原理便于以后醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人的改進(jìn)和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療服務(wù)送藥機(jī)器人;語(yǔ)音識(shí)別;無菌存取;尋路充電

一.智能送藥機(jī)器人背景概況

1.1特殊情況下送藥機(jī)器人優(yōu)勢(shì)

智能化機(jī)器人研究事當(dāng)今科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已得到迅速發(fā)展，廣泛地應(yīng)用于五大領(lǐng)域：醫(yī)療福利服務(wù)、商場(chǎng)超市服務(wù)、餐廳旅館服務(wù)、維修清洗服務(wù)和家庭生活服務(wù)。目前我國(guó)服務(wù)機(jī)器人尚處于起步階段。2020年初爆發(fā)的新冠病毒疫情擴(kuò)散至全球。新冠病毒以偽裝性強(qiáng)、潛伏期長(zhǎng)、傳播途徑多樣、變異性等特征難以預(yù)防和控制。其中傳播途徑包括呼吸道飛沫傳播、接觸傳播、消化道傳播、血液傳播和空氣傳播等。多樣的傳染途徑和醫(yī)療廢棄物的污染性極大地增加了醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)，醫(yī)護(hù)人員的安全至關(guān)疫情擴(kuò)散。工作危險(xiǎn)增加，同時(shí)嚴(yán)格復(fù)雜的防護(hù)程序也增加了工作量。在醫(yī)護(hù)緊缺，醫(yī)療服務(wù)效率低的情況下，送藥機(jī)器人的應(yīng)用和研究有效地緩解人員短缺問題。

1.2智能送藥機(jī)器人基本功能

送藥機(jī)器人可以執(zhí)行例如送藥、環(huán)境消毒等簡(jiǎn)單工作為減小醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)，提升醫(yī)院工作效率。送藥機(jī)器人須能夠獨(dú)自安全無誤地運(yùn)送藥品到指定病房病人處，可以攜帶特殊消毒裝置在醫(yī)院內(nèi)巡航消毒。機(jī)器人的主干部分儲(chǔ)藥箱能滿足藥品、針劑的存儲(chǔ)，并自動(dòng)讀取藥箱上的標(biāo)簽信息，通過識(shí)別技術(shù)準(zhǔn)確自動(dòng)取藥給目標(biāo)，極大地保障藥箱內(nèi)部的安全衛(wèi)生，減輕病人負(fù)擔(dān)。同時(shí)自動(dòng)記錄運(yùn)送數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)輸位置，保證藥品運(yùn)送全程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。通過智能技術(shù)經(jīng)醫(yī)生驗(yàn)證開啟藥箱，識(shí)別病人取出藥物。機(jī)器人頭部具備人工智能系統(tǒng)，借助強(qiáng)大的語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)義理解、自然語(yǔ)音合成等技術(shù)，機(jī)器人能夠準(zhǔn)確理解人類語(yǔ)言，并從智能知識(shí)庫(kù)獲取信息，通過揚(yáng)聲器清晰地和病人進(jìn)行溝通，反饋病人的提問。智能顯示屏可以協(xié)助交流，空余時(shí)用作安全宣傳。攝像頭內(nèi)置紅外成像自動(dòng)測(cè)溫儀可精確測(cè)量醫(yī)院人員體溫。系統(tǒng)內(nèi)置導(dǎo)航精準(zhǔn)識(shí)別目的地，能識(shí)別行進(jìn)路線，若感應(yīng)到前方有人或障礙物，可及時(shí)避障。由此，達(dá)到部分一線人力得到釋放，得以更好地服務(wù)最需要的人群。底部移動(dòng)結(jié)構(gòu)采用麥克納姆輪，麥克納姆輪由小滾輪組成，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由移動(dòng)。充電部分由電箱門，隔板，充電塊組成，可利用隔板改變電池的放置位置。充電箱便攜式充電，大容量電池充滿電可以連續(xù)工作十二小時(shí)，安裝電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保障安全行進(jìn)的情況下通過導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)尋找充電樁充電，充電時(shí)對(duì)充電樁進(jìn)行感應(yīng)導(dǎo)航自行充電。

智能醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用不但能夠提高病區(qū)消殺、藥物配送等工作的效率，還可以降低工作人員長(zhǎng)時(shí)間在病區(qū)工作而導(dǎo)致交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約防護(hù)服等醫(yī)療緊缺物資的消耗，節(jié)省醫(yī)護(hù)人員時(shí)間成本。

二.醫(yī)療機(jī)器人軟硬件的實(shí)現(xiàn)

2.1 ?數(shù)字圖像信息處理模板

裝載機(jī)器人的視覺識(shí)別系統(tǒng)、語(yǔ)音交流系統(tǒng)、路徑導(dǎo)航系統(tǒng)、智能屏幕顯示系統(tǒng)、機(jī)器人程序系統(tǒng)。長(zhǎng)寬高為27cm、25cm、27cm。結(jié)構(gòu)由一個(gè)液晶顯示屏，一個(gè)高清攝像頭，兩個(gè)揚(yáng)聲器，一個(gè)語(yǔ)音接收器，一個(gè)紅外成像自動(dòng)測(cè)溫儀，導(dǎo)航芯片，圖像處理器，語(yǔ)音處理器，系統(tǒng)主板，頭部外殼等組成。攝像頭導(dǎo)航識(shí)別模板運(yùn)用AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行紀(jì)錄，例如運(yùn)行時(shí)對(duì)病人、醫(yī)務(wù)人員和其他工作人員進(jìn)行溫度的可視化的呈現(xiàn)，能有效的監(jiān)管溫度變化 。還有對(duì)病人情緒的紀(jì)錄等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效分析。攝像頭實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人行進(jìn)過程中的影像，檢測(cè)障礙物及時(shí)避障，對(duì)病人實(shí)行面部識(shí)別達(dá)到無接觸安全取藥。液晶顯示屏可播放防疫相關(guān)知識(shí)和時(shí)事熱點(diǎn)新聞增加宣傳力度。語(yǔ)音識(shí)別控制模板采用雙系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別一個(gè)主要鏈接前臺(tái)醫(yī)護(hù)人員的交流，減少其他干擾，確保緊急情況下安全有效，一個(gè)是用于人工互動(dòng)交流。頭部?jī)?nèi)置聲音接收裝置識(shí)別語(yǔ)言并可錄入醫(yī)生聲音用以增加語(yǔ)音遙控功能，醫(yī)生可通過語(yǔ)音遙控功能無接觸操作機(jī)器人。文字系統(tǒng)處理生成答案，通過揚(yáng)聲器發(fā)聲與人員進(jìn)行親切合理的溝通病人和機(jī)器人對(duì)話，雙方可以有多輪對(duì)話，機(jī)器人也不怕被中途打斷，實(shí)現(xiàn)完美溝通。智能顯示屏可表現(xiàn)對(duì)話時(shí)機(jī)器人相應(yīng)的表情配合病人溝通，以此達(dá)到陪伴病人的作用。通過智能交流系統(tǒng)，屏幕可展示溝通者需要查詢的內(nèi)容，顯示屏工作空余時(shí)間可播放防疫常識(shí)、時(shí)事新聞等內(nèi)容達(dá)到積極宣傳的作用。主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)置導(dǎo)航芯片和電量監(jiān)測(cè)器，精確導(dǎo)航送藥路線，在電量低的情況下自動(dòng)尋找充電座。機(jī)器人主板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體的正常運(yùn)行，如圖1。

2.2中心機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

通過上方舵機(jī)帶動(dòng)兩齒輪以改變豎桿間間距，使x型伸縮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)或縮短將藥品推至中央升降平臺(tái)，如圖2。

為適應(yīng)不同藥盒規(guī)格，儲(chǔ)藥架每層高度分別為5cm、10cm、15cm、20cm。下方通過一電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)藥架轉(zhuǎn)動(dòng)。其旁安裝一紫外線消毒燈以保證內(nèi)部的無菌環(huán)境。主體采用雙層結(jié)構(gòu)，減少外來微生物的污染。背面開口通過刷卡系統(tǒng)來控制打開人員與地點(diǎn)。載藥平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)藥物的上下移動(dòng)：由5個(gè)電機(jī)，1個(gè)雙層轉(zhuǎn)軸，3個(gè)螺旋桿，1個(gè)底盤組成，體積底面長(zhǎng)寬50cm，高70cm。原理：底盤四個(gè)電機(jī)帶動(dòng)外部載藥箱的選裝，雙層的轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)減少了機(jī)械之間的磨損，降低了能耗，載藥圓臺(tái)由的中間的電機(jī)帶動(dòng)三個(gè)螺桿上的螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，采用三角設(shè)計(jì)為載藥提供穩(wěn)定動(dòng)力，增強(qiáng)了機(jī)械結(jié)構(gòu)在復(fù)雜情況的運(yùn)行能力。如圖3。

2.3移動(dòng)充電模板

移動(dòng)充電部分分為底部移動(dòng)和充電部分，底部移動(dòng)結(jié)構(gòu)采用麥克納姆輪外圍半徑為：73mm，內(nèi)圍半徑為15mm，寬為80mm，三個(gè)輪子互相間隔120°，每個(gè)麥克納姆輪由八個(gè)小滾輪組成，機(jī)器人既可以沿輪面的切線方向移動(dòng)，也可以沿輪子的軸線方向移動(dòng)。如圖4。

在移動(dòng)端上為充電部分;伺服電機(jī)：長(zhǎng)：274mm，寬高都為80mm，伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以更好的進(jìn)行移動(dòng)送藥，精確定位，輻射小，對(duì)于醫(yī)院的危害性更低，并借此來完成與充電箱的對(duì)接，進(jìn)行充電。充電部分由電箱門，隔板，充電塊。電箱門用來打開充電部分，換取電池，換取電池時(shí)，將電箱門抓手向上抬，電箱門上部就會(huì)向里運(yùn)動(dòng)，最后全部打開，換取電池。其中有隔板用來分開每一塊電池，共六塊隔板，都可左右移動(dòng)，隔板左側(cè)和右側(cè)各三塊，前后分開，放電池時(shí)將所有隔板推向一邊，隨后放入電池，從里向外，從左向右，一層一層放入電池，待一層放好之后，用隔板進(jìn)行分割，隨后再放下一層。隔充電塊懸掛在電箱內(nèi)，在進(jìn)行充電時(shí)，與充電箱內(nèi)的充電塊互相感應(yīng)進(jìn)行充電。

充電箱便捷式充電，可以根據(jù)需要進(jìn)行移動(dòng)，較為方便，在進(jìn)行充電時(shí)，機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)導(dǎo)航，到達(dá)充電箱的位置，進(jìn)行充電。如圖5。

三、結(jié)論

該醫(yī)療服務(wù)送藥機(jī)器人，安全且節(jié)約能耗。無線通信功能人性化與病人溝通搭配智能化觸控屏、液晶屏豐富交流內(nèi)容，增加醫(yī)院醫(yī)療防護(hù)知識(shí)宣傳力度。目前，社會(huì)科技高速發(fā)展，機(jī)器人成為未來發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。醫(yī)療送藥機(jī)器人在類新冠病毒等傳染性疾病的防疫醫(yī)護(hù)工作中具備極高的應(yīng)用價(jià)值。

通訊作者：宋青山（1985.02）男，漢族，黑龍江省哈爾濱市，本科，專業(yè)技術(shù)十二級(jí)，實(shí)驗(yàn)室教師.

（上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院 ?201600）