基于STM32的看护服务机器人装置系统设计

范敬珂 刘师沛 臧百永 杨成玲 王成宝

(重庆交通大学信息科学与工程学院,重庆400074)

人口老龄化逐渐成为全球共同面临的一个社会问题,根据全国老龄工作委员会的预测,到2050年,我国老龄人口比例将会达到28%,老年人的人数将有可能达到4.8 亿[1],成为全球老年人人口最多的国家,养老问题日益严重。据估计,到2030年,中国对老年护理人员的总需求将从577.1 万增加到1624.68万。由于工作量大、工资低,寻找家庭保姆和护理机构工作人员变得困难[2]。

“智能养老”这一概念最早是由英国生命信托基金会提出的,后来人们将这一理念用于全智能老年系统,这种养老体系为智能养老时代带来巨大的福音,也勾勒出良好的开端[3]。比如,日本的护理机器人RIBA-II,为搬运病人而设计,能将丧失行动能力的病人从地上或轮椅上搬运到病床上。但其功能单一,不够人性化,服务对象也具有很大的局限性[4]。还有一类看护机器人是注重精神陪伴的,比如机器人Elli.Q,它利用仿人类的肢体语言、声音等维度,与用户进行互动,运用人工智能技术主动学习用户的爱好、行为和个性,根据用户的特征为其推荐适当的活动[5]。但其缺点就是不能为老人提供身体上的帮扶,更多的是作为精神伴侣。我国有关智能养老的机构虽然匮乏,但人工智能技术的高速发展,也逐渐在填补缺口。

我们团队设计的此款机器人能实现在养老机构或家居环境内自主导航、语音识别、信息存储、人员搭载、物品运输、生命体征监测以及每日定时供药等日常看护工作。机器人可以在工作区域的安全运行,通过传感器实时检测老人的生命体征、周围环境等信息并反馈于主控制器进行处理。并且通过语音交互功能实现与老人的简单沟通更加人性化地服务老人、方便医护人员。除此之外,机器人体内设计有自动供药装置,定时向老人提供配好的药物,避免老人忘吃药或吃错药的情况发生,这款看护机器人能够减少医护人员的工作量。

1 系统概述

机器人功能模块包括电源模块、自动供药模块、运动控制模块、心电监测模块、语音交互模块和图像采集模块。智能看护机器人在运行状态中的各个功能模块均由电源模块分别进行供电,通过语音识别、图像采集及传感器等模块接收外界输入信息并汇入主控制器进行分析处理,随后由主控制器对运动控制、语音交互、药物投放、心率监测等功能模块进行控制,整体工作框图如图1所示。

图1 智能看护机器人工作框图

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括自动供药模块、运动控制模块、心电监测模块、语音交互模块,本文着重介绍自动供药模块。

2.1 自动供药模块

2.1.1 整体结构

自动供药模块整体设置在机器人主体内部,可以分为两部分,一是位于上端的呈圆形分布的药盒组,二是位于下端的无上底面的圆柱形药物托盘与设置在机器人体外的出药口,两者通过位于圆心的主轴相连接。药盒组由多个自动化控制药盒连接至主轴构成,每个药盒都是独立的,可以依据不同的使用情况随时从主轴上安装或取下。圆柱形药物托盘底部半径略大于呈圆形分布的药盒组的半径,且其侧面的高高于上方的药盒组,同时下底面以一定的角度倾斜,底面的低端通过管道连接至出药口。此构造能保证托盘能接受药盒中掉落的药品并使其滑动至出药口,出药口放置一个置物小盒,通过电磁锁扣与出药口连接,可防止小盒因意外从出药口上掉落,同时当全部药物都滑至药盒中后断电,使用者才可以取下小盒,服用药丸,以保证无药物遗漏。

2.1.2 自动化控制药盒与主轴结构

自动化控制药盒通过外部连接装置与主轴相连,主轴中包含了控制器、存储器、电源、蓝牙模块等核心器件。每个自动化控制药盒的一侧都有由特殊的滑轨构成的物理连接模块,可以与主轴上相对应的滑轨凹槽相连接,同时滑轨上设置有充电触点,物理连接建立的同时通过触点为药盒内设置的电池模块充电,主轴与自动化控制药盒通过蓝牙模块相连接,可识别药盒及其内部药物相关信息,并将信息存贮在主轴内部的存储器中。

自动化控制药盒内部包含药丸储药仓和传送管道两部分,见图2、图3。药丸储药仓呈漏斗状可通过底部开口能自动调节的出药口大小,出药口连接传送管道入口。药丸掉落在设有传送带与等间距的竖直隔断的环形传送管道的传送带上,环形传送管道除进出口以外全程密封,主要由齿轮、履带、隔板以及外部管道构成。以定时程序通过控制电机带动齿轮的旋转,使药丸通过传送带运输至管道的出口,然后掉落在下方的圆柱形药物托盘中。同时在环形传送管道的出入口都设有红外传感器,以检测药物是否正常掉落和掉落的数量是否正确。

图2 自动化控制药盒药丸储药仓示意图

图3 传送管道结构示意图

2.2 心电监测模块

心电监测模块能由STM32芯片、心电采集传感器ad8232以及单导联线(三个电极)构成,能够模拟心电监测并在心率异常时报警的功能。我们平时在医院见到的心电图所用的导联线为十二导联,使用起来较为复杂,不适用于全天贴身监测。而单导联线由三个电极构成,使用时贴在心脏附近的指定位置,测量的结果更为准确。

2.3 语音交互模块

语音交互模块可模拟语音控制电灯、风扇、电视机等家用电器的功能。用户需要呼唤“看护机器人”来跟其对话,我们设置了四种情景:一是“开灯”,当机器人听到该指令后就会执行开灯的动作；二是“查询天气”,当机器人听到该指令后会告知用户明日的天气；三是“打开风扇”,当机器人听到该指令后会启动电机(电机上有电扇片),达到打开风扇的效果；四是“打开电视”,当机器人听到该指令后会启动LED屏,达到打开电视的效果；关闭的指令和达到的效果与上述类似,不再赘述。语音识别模块原理框图如图4。

图4 语音交互模块原理框图

3 系统软件设计

3.1 超声波避障程序设计

超声波避障软件程序主要由主程序、定时子程序、电机驱动程序组成,开始之初定时器示初始化,打开中断允许,启动超声波模块,再收到回波信号继而计算距离驱动电机转向,其避障主要算法流程图如图5所示。

图5 超声波避障程序框图

3.2 心电监测装置程序设计

心电监测装置主要完成下位机数据采集的收集和保存、利用下位机传输的信息以及从文件中读取的数据进行心电波形绘制、保存心电波形的特点等功能。在检测的过程中,若电压值持续下降且逼近0,则立即发出报警信号,算法流程图如图6所示。

图6 心电监测装置程序框图

3.3 语音交互模块程序设计

智能看护机器人的语音交互设计可以大大提高机器人的工作效率,其主要程序包括语音识别、语音理解和语音合成。初始化语音识别模块时,看护人处于待机状态以便监听语音输入。当成功获取语音信息时,判断是否为有效语音识别,在有效语音识别的情况下将输入的语音消息映射为语音消息指令,即向下位机发送控制指令。其主要控制算法的流程图如图7所示。

图7 语音交互模块程序框图

3.4 自动供药系统测试

在传送管道入口处和传送管道出口处都设有红外传感器,若有药物落下,届时电平升高。如图8所示,传送管道入口处的红外传感器检测到药物下落,电压升高,0.5 秒之后传送管道出口处检测到药物顺利传出,后续的药物间隔2秒后相继被检测到顺利送出,未出现卡壳现象。

图8 传送管道红外检测结果

4 结论

看护服务机器人能实现在养老机构内自主导航、语音识别、信息存储、人员搭载、物品运输、生命体征监测以及每日定时供药等日常看护工作。机器人内置强大的数据库存储查询系统,快速地获取老人的基本信息,方便医护人员实时查询每位老人的床位和健康状况。机器人身体前后装有电磁锁扣,可与轮椅及踏板相连接,随时变身成为老人和医护人员的代步工具。机器人还能够通过智能手环实时监测老人的生命体征,如有异常则可快速地反馈给医生,呼叫医护人员及时救治。机器人体内设计有自动供药装置,定时向老人提供配好的药物,避免老人忘吃药或吃错药的情况发生。

在智能养老的大趋势下,该看护服务机器人能够融合进养老机构内并发挥高效作用,在后续过程不断优化看护服务和兼容性,力争更高的实际应用价值。经过测试,看护机器人功能强大,能够提高医护人员的工作效率、降低工作强度,同时能有效减少人员间的接触,降低传染性疾病的传染风险,具有较高的技术推广价值和市场应用价值。