醫(yī)療廢物自動(dòng)分揀裝置

賀泓博

（華北電力大學(xué)（保定）動(dòng)力工程系，河北 保定071000）

1 概述

近些年，醫(yī)療廢物急劇增加，由于醫(yī)療廢棄物對(duì)環(huán)境具有一定的污染性，所以廢棄物的分類和處理顯得尤為重要?，F(xiàn)如今醫(yī)療垃圾分類見表1。

表1 醫(yī)療垃圾分類

傳統(tǒng)的醫(yī)療廢棄物的分類方式主要是將不同廢棄物分別放置在具體的固定位置，依靠固定的醫(yī)療衛(wèi)生場(chǎng)所和醫(yī)療廢物分類處理配套設(shè)施來進(jìn)行廢棄物的分類、回收、處理。但是醫(yī)療廢棄物中銳器及玻璃制品居多，分類過程復(fù)雜且需要醫(yī)療人員的參與，如若處理不當(dāng)會(huì)增加醫(yī)療人員暴露、造成醫(yī)療廢棄物污染等問題的出現(xiàn)。本文提出一種基于圖像識(shí)別技術(shù)的醫(yī)療廢棄物的分類方法。采用樹莓派4B 和HuskyLens 視覺模塊結(jié)合的硬件方案，利用YOLO v3 目標(biāo)檢測(cè)算法，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療廢棄物進(jìn)行識(shí)別和分類。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及機(jī)理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

首先使用OV2640 作為圖像傳感器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，將采集到的圖像傳輸?shù)紿uskyLens 視覺模塊進(jìn)行圖片數(shù)據(jù)的初步分析和處理，之后將結(jié)果發(fā)送至樹莓派，樹莓派已使用YOLO 算法進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，具備圖像識(shí)別功能，結(jié)合HuskyLens 視覺模塊傳遞過來的圖像信息進(jìn)行辨識(shí)，將控制信號(hào)發(fā)送給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)板完成醫(yī)療廢棄物的分類,過程如圖1 所示。

2.2 各模塊簡(jiǎn)介

2.2.1 OV2640 圖像采集模塊

OV2640 是一款CMOS 類型的數(shù)字圖像傳感器，能輸出的最大圖像為200 萬像素、1600×1200 分辨率，具有壓縮引擎功能，可以將結(jié)果壓縮成JPEG 格式直接輸出，具有圖像質(zhì)量高、圖像數(shù)據(jù)小、傳輸時(shí)間短、靈敏度高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。并且可以支持曝光、白平衡、色度、飽和度、對(duì)比度等眾多參數(shù)設(shè)置，也支持JRGB565 格式輸出，可以滿足不同場(chǎng)合需求。

HuskyLens 視覺模塊是一款簡(jiǎn)單實(shí)用的AI 視覺傳感器，內(nèi)置有6 種功能：人臉識(shí)別、物體追蹤、物體識(shí)別、巡線追蹤、顏色識(shí)別、二維碼標(biāo)簽識(shí)別，可謂是功能眾多，與此同時(shí)HuskyLens操作十分簡(jiǎn)易。它的芯片中內(nèi)置了多種算法，僅需簡(jiǎn)單的操作即可完成圖像識(shí)別。體積也十分小巧，HuskyLens 視覺傳感器自身帶有2.0 寸IPS 顯示屏，調(diào)參過程無需計(jì)算機(jī)輔助，本地即可處理所有算法并將結(jié)果直接輸出。

圖1

成立之初，該局領(lǐng)導(dǎo)班子就把隊(duì)伍建設(shè)擺在首位，注重凝聚力、向心力、戰(zhàn)斗力建設(shè)，打造了一支風(fēng)清氣正，精神飽滿的隊(duì)伍。強(qiáng)調(diào)服務(wù)意識(shí)，樹立服務(wù)方式“零距離”、服務(wù)事項(xiàng)“零積壓”、服務(wù)質(zhì)量“零缺陷”的理念，進(jìn)一步簡(jiǎn)化辦事程序，平均辦事期限縮短了50%。在全市率先開展食品藥品規(guī)范化管理示范企業(yè)創(chuàng)建活動(dòng)，先后建立4條“食品藥品安全示范街”，30余家“食品藥品安全示范店”，形成以點(diǎn)帶面、點(diǎn)面結(jié)合的食品藥品安全示范群體。

現(xiàn)在，我們經(jīng)?？吹叫⒚χo各小組設(shè)計(jì)車型，也有組長(zhǎng)主動(dòng)與小劉一起商量本小組的列車模樣。當(dāng)然，小劉與他人的交流時(shí)依然會(huì)有各種各樣的“事故”發(fā)生，不過“先鋒車站”確實(shí)給他帶來了很大的影響。

本裝置就是基于樹莓派4B 建立而成的，利用其處理能力強(qiáng)、體積小巧等特點(diǎn)，結(jié)合YOLO 算法，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療廢物的自動(dòng)分揀。

白礬抽驗(yàn)樣品按《中國(guó)藥典》一部（2015年版）檢驗(yàn)，119批白礬抽驗(yàn)樣品中，結(jié)果合格樣品28批次，合格率為24%；不合格樣品91批次，不合格率為76%。

此外利用樹莓派還可以編輯文檔、瀏覽網(wǎng)頁、播放視頻、播放音頻等，也可以利用樹莓派制作智能小車、示波器、家庭影院、相機(jī)等。與樹莓派3 相比，樹莓派4B 的性能是其三倍，與2012年發(fā)布的第一代樹莓派相比更是快了十五倍，在某些方面，它甚至可以展現(xiàn)出遠(yuǎn)超某些傳統(tǒng)PC 的優(yōu)越性能。

2.2.3 樹莓派

2.3 YOLO 算法簡(jiǎn)介

圖2 初始模型

圖3 改進(jìn)模型

YOLO 算法是一種極為方便快速的目標(biāo)檢測(cè)算法，它將目標(biāo)檢測(cè)定義為一個(gè)回歸問題。YOLO 將整個(gè)圖像看成一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），之后將圖像網(wǎng)格化，并預(yù)測(cè)每個(gè)網(wǎng)格的類概率和邊界框。例如，將一個(gè)100x100 的圖像網(wǎng)格化成7x7 的網(wǎng)格。然后，對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)絡(luò)都會(huì)預(yù)測(cè)一個(gè)邊界框和與每個(gè)類別相對(duì)應(yīng)的概率。每個(gè)邊界框可以使用四個(gè)描述符進(jìn)行描述：邊界框的中心、高度、寬度、值映射到對(duì)象所屬的類。經(jīng)過訓(xùn)練學(xué)習(xí)完成圖像識(shí)別。另外，YOLO 算法也可以預(yù)測(cè)邊界框中存在對(duì)象的概率。YOLO 算法具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，由于將目標(biāo)檢測(cè)定義為一個(gè)回歸問題，不需要復(fù)雜的管道，與其他模型（例如邏輯回歸）相比，所需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù)也相對(duì)較少。在運(yùn)算速度上，它比“R-CNN”快1000 倍，比“Fast R-CNN”快100 倍，能夠處理實(shí)時(shí)視頻流，延遲小于25 毫秒，且精度是以前實(shí)時(shí)系統(tǒng)的兩倍多。同樣重要的是，YOLO 遵循的是“端到端深度學(xué)習(xí)”的實(shí)踐。

張三爺有和當(dāng)時(shí)大部分武人同樣的經(jīng)歷，保過鏢、護(hù)過院、當(dāng)過武師，但除此以外，他還有大多數(shù)武人沒有的經(jīng)歷，他曾當(dāng)過清朝練勇局的把總，宣統(tǒng)年間還護(hù)送過去西藏傳詔的欽差。

2.2.2 HuskyLens 視覺模塊

2.4 實(shí)物模型

本裝置有初始和改進(jìn)兩種模型，下面進(jìn)行分別介紹。

2.4.2 改進(jìn)模型

6) 4套690 V 主DP輔助配電板，額定電壓為690 V，匯流排額定電流2 929 A，額定短路分?jǐn)嚯娏?4 kA。

首先對(duì)初始模型進(jìn)行介紹（見圖2）：醫(yī)療廢棄物通過輸送皮帶進(jìn)入分揀裝置，首先經(jīng)過圖像采集區(qū)域，OV2640 攝像頭布置在該區(qū)域工作，之后將收集的圖像信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心（即HuskyLens 處理芯片和樹莓派的放置區(qū)域），進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析和機(jī)器識(shí)別。本裝置模型中所選擇的伺服電機(jī)是舵機(jī)，舵機(jī)是由微型電機(jī)與齒輪等部件組合而成，體積小巧、靈活性強(qiáng)，舵機(jī)與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)板相連，樹莓派將識(shí)別結(jié)果以控制信號(hào)的形式發(fā)送至舵機(jī)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)板，引導(dǎo)板存在內(nèi)置芯片，可以將接收的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成指令控制相連的舵機(jī)進(jìn)行隔板的翻轉(zhuǎn)工作，從而將醫(yī)療廢物投放到不同的儲(chǔ)存箱中，完成分揀操作。初始模型優(yōu)點(diǎn)是分揀投放精準(zhǔn)，翻轉(zhuǎn)不易出現(xiàn)控制失誤，錯(cuò)誤投放可能性小；舵機(jī)操作時(shí)間短，分揀速度快，效率較高，僅需完成隔板的翻轉(zhuǎn)工作即可實(shí)現(xiàn)分類投放。缺點(diǎn)也很明顯僅能完成種類比較少的分揀（圖中僅為兩個(gè)儲(chǔ)存箱），由于很難實(shí)現(xiàn)對(duì)隔板翻轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)控制，增加儲(chǔ)存箱個(gè)數(shù)和分揀種類較為困難，最佳分揀種類為兩種，適用于僅區(qū)分可回收和不可回收醫(yī)療廢物的分揀和只需要進(jìn)行粗分類的分揀。

在科技配置方面，銳騏6也毫不含糊。一鍵啟動(dòng)、無鑰匙進(jìn)入、倒車影像、倒車?yán)走_(dá)、胎壓監(jiān)測(cè)等諸多乘用車配置均出現(xiàn)在銳騏6車上。高清倒車影像，附帶彩色動(dòng)態(tài)輔助線，便于駕駛員判斷車輛與障礙物的距離，引導(dǎo)駕駛員安全倒車。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則能時(shí)刻監(jiān)測(cè)胎壓情況，保障用車安全。

樹莓派是一款體積僅有信用卡大小的微型電腦，本裝置中選用的樹莓派為Rasyberry Pi 4B，它支持眾多操作系統(tǒng)，例如Raspbian 操作系統(tǒng)、Windows 10 loT 系統(tǒng)、Kali Linux 系統(tǒng)等。另外樹莓派4B 具有十分健全的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，整合程度高，價(jià)格也較為低廉，得到了廣泛的追捧，熱度十分之高，一些極客和發(fā)燒友更是利用樹莓派4B 創(chuàng)造出了眾多創(chuàng)意設(shè)備。例如2015 年，倫敦的創(chuàng)業(yè)公司Kano 就推出了一款面向兒童的DIY計(jì)算機(jī)套件，利用核心元件樹莓派為孩子提供了具有應(yīng)用和創(chuàng)造性的組裝套件，還配套銷售鍵盤、保護(hù)外殼等組件，以及一個(gè)主打兒童編程學(xué)習(xí)的Kano OS 操作系統(tǒng)。

2.4.1 初始模型

改進(jìn)模型針對(duì)可分揀種類少這一點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，將舵機(jī)控制的隔板由翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榱死@著中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（樣式如圖3）。舵機(jī)與中心軸相連，接到指令后控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)缺口旋轉(zhuǎn)到的儲(chǔ)存箱不同進(jìn)行分類投放，實(shí)現(xiàn)了多種類、多儲(chǔ)存箱的醫(yī)療廢棄物分揀?？筛鶕?jù)儲(chǔ)存箱的個(gè)數(shù)調(diào)整缺口的面積，儲(chǔ)存箱越多缺口區(qū)域面積越小，防止錯(cuò)誤投放的情況發(fā)生。此外，為了防止醫(yī)療廢物落在隔板非缺口區(qū)域上而無法進(jìn)行分揀投放的情況出現(xiàn)，將隔板設(shè)計(jì)成具有一定傾斜度，缺口處位置低，使醫(yī)療廢物可以自然滑落，使廢物落在隔板任意位置都可進(jìn)行分揀工作進(jìn)入儲(chǔ)存箱。

改進(jìn)模型雖然解決了可分揀種類少的問題，但也有以下幾點(diǎn)不足之處：

（1）分揀速度慢，滯留時(shí)間長(zhǎng)。與控制隔板翻轉(zhuǎn)相比，改進(jìn)模型所需轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)快速分揀醫(yī)療廢物，容易出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。

（2）錯(cuò)誤投放的可能性大?？赡艹霈F(xiàn)隔板未轉(zhuǎn)動(dòng)到正確的儲(chǔ)存箱位置，醫(yī)療廢棄物就已下落至隔板缺口區(qū)域，從而進(jìn)入錯(cuò)誤的儲(chǔ)存箱。

3 結(jié)論

基于樹莓派為核心的醫(yī)療廢物分揀裝置，采用OV2640 攝像頭和HuskyLens 視覺模塊結(jié)合對(duì)圖像進(jìn)行采集和分析處理，利用YOLO v3 目標(biāo)檢測(cè)算法，通過機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療廢物的識(shí)別，利用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)板控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療廢棄物進(jìn)行分類。具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使醫(yī)療廢物分類工作不依靠人員進(jìn)行，防止了人員感染和醫(yī)療廢棄物污染等問題的出現(xiàn)。

但本裝置改進(jìn)模型中仍有兩點(diǎn)不足之處，這兩點(diǎn)不足都可以通過提高隔板的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行改善。轉(zhuǎn)速提高，不易出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，減少錯(cuò)誤投放的次數(shù)，可以控制運(yùn)輸皮帶使醫(yī)療廢物投入分揀裝置速度加快，提高投放效率，更快完成分揀工作。增加舵機(jī)個(gè)數(shù)或使用其它性能更優(yōu)的伺服電機(jī)可以有效的提高轉(zhuǎn)速，舵機(jī)本身性能只能支持模型以較低的轉(zhuǎn)速工作，多個(gè)舵機(jī)共同工作可相對(duì)提高轉(zhuǎn)速，如若使用其他性能更優(yōu)的伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的較大增加，這為后續(xù)的研究提供了方向。