基本信息
- 项目名称：
- 医院病房巡视机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目旨在设计制作完成医院病房巡视机器人一台，能够满足医院病房复杂环境下的日常巡护任务。护士通过远程PC机或机载PC机上的简单手动或语音操作，即可指示机器人进行某个病房或多个病房的巡视任务。记录病人生理指标和仪器的监护数据，以图像形式传输到远程PC机上。远程PC机上能够实时显示机器人的运动状态，并能对机器人进行实时控制。能够按照护士指令，捕获病人行为和表情，以便于护士对病人异常行为检测。
- 详细介绍：
- 医院病房巡护机器人硬件系统主要包括两部分：基于ARM的底层移动机器人平台和机载PC系统。 最上层的为用户计算机，通过无线局域网的方式与机载PC通讯。用户计算机实现对移动平台的控制和监视。护士可以通过用户计算机任务的下达和机器人的远程控制。 医院病房巡护机器人配置机载PC系统，用来处理较复杂的本地任务；同时机载PC具有通用的外围设备接口，支持一些高级外设，如触摸屏。机载PC可以用来处理机器人视觉，实现诸如颜色跟踪、读取QR-Code标签等任务。机载PC配置麦克风和扬声器用以与护士和病人的语音交互。传感器系统主要包括：StarGazer 红外定位系统、RFID 无线射频读卡器、激光传感器等。StarGazer 红外定位系统用于机器人医院环境下的精确定位，RFID无线射频读卡器用于对医院环境中设置的RFID标签的读取，如读取病人信息卡获取病人的基本信息，激光传感器用于导航过程中测距深度信息的获得。 底层的核心控制器选用了具有Cortex-M3内核的ARM控制器STM32F103，并嵌入µC/OS-II实时操作系统已实现移动机器人的底层控制任务。移动机器人的底层服务，如运动控制、电源管理、传感器驱动和数据采集、CAN总线等都由STM32来管理。STM32通过RS232方式与机载PC通讯。 电机驱动模块控制系统设计，包括双H桥驱动、PWM控制，双轮转速（电压调节器）以及转矩（电流调节器）控制的硬件设计以及PID算法的实现。 系统配置超声波传感器和红外传感器，用于距离检测、自动避障、环境建模、定位以及导航。移动机器人平台可以支持2个声纳环，每个环最多有8个超声波换能器，测量距离的范围为10cm至大于4m，主要用于10cm以外的距离检测和避障。红外传感器的输出为开关量，检测距离较近、能够检测处于超声传感器盲区的障碍物。 惯性测量单元的作用有两个：一是精确测量移动平台的运动状态和姿态；二是提供错误诊断能力，保证平台的可靠运行，防止因平台失控而造成危险。惯性测量单元的控制器选用STM32，配置加速度传感器、陀螺仪和指南针。惯性测量单元通过UART与核心控制器进行通信。 使用CAN总线作为系统的扩展总线，可挂接具备不同功能的CAN节点模块，以实现对系统功能的扩展。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目的研究目的： 本项目旨在设计制作完成医院病房巡视机器人一台，能够满足医院病房复杂环境下的日常巡护任务。 基本思路： 1.巡视机器人硬件系统的设计 2.嵌入式程序的开发 3.基于多传感器的导航信息融合算法研究 4.病人的生理特征参数的提取 5.医院病房巡视机器人远程控制平台设计 创新点： 1.医院病房巡视机器人，将会成为医用机器人领域的新成员。 2.针对医院病房环境，提出多种新颖的导航定位手段，如精确的StarGazer 红外定位，利用QR-code技术实现地图构建。 技术关键： 1.移动机器人平台的运动模型的分析与建立 2.巡视机器人能够稳定可靠运动，所需要的下位机硬件控制系统的设计 3.机载PC与下位机运动控制系统通信协议的设计以及容错措施的设计 4.巡视机器人传感器系统的设计以及在导航定位方面的应用 5.基于无线Wifi网络的巡视机器人的远程控制 主要技术指标： （1）巡视机器人电池容量应能满足其正常工作5～6小时，电源管理具备过流、过压保护、低电压报警和自动关机、断电功能，以避免丢失数据或损坏电池； （2）下位机控制系统具有低功耗和较强的数据处理能力并具备故障诊断能力； （3）配置红外光电传感器和超声波传感器，激光传感器，加速度计和陀螺仪； （4）运动性能：采用两轮差动式驱动；行驶速度最大达到1m/s以上；可实现零半径旋转；负载能力60kg； （5）具有一定的人机交互能力，安装触摸显示屏、麦克风、音箱
科学性、先进性
- 1.因为医院病房巡视机器人的服务对象是病人，机器人运行的安全性至关重要。为了保证系统绝对的安全性与准确性，系统设计中拟采用诸如双ARM核结构，软硬件冗余，完善的故障诊断，多达四种应急停车等措施。 2.避障测距传感器设计。机器人可以支持2个声纳环，每个环有8个超声波换能器，用于障碍物检测、距离检测和自动避障，环境建模，定位，以及导航。 3.配备了丰富的测距和定位传感器系统，易于机器人的导航定位。考虑到导航的准确性、快速性及可靠性，采用了高精度、高分辨率、宽视场的UTM-30LX-2维激光扫描测距仪加StarGazer传感器采集天花板的图标信息实现精确导航； 4.机器人配备高精度MR编码器、陀螺仪、加速度计，在底层的嵌入式控制系统µC/OS-II的调度下，实现对电机的精确控制。 5.将QR-code二维码技术应用于机器人导航过程中，借助二维码存储信息量大的优点，将其应用于机器人导航过程中的地图创建过程。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 研发已完成
技术转让方式
- 专利保密 不转让
作品可展示的形式
- 实物或视频演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 巡视机器人以自主运行和主从遥控两种工作方式，协助护士对病房进行巡视。护士给机器人下达指令，查看病房内病人行为和所处状态，机器人实现探查及病房内目标看护点的图像采集及图片传输。具体任务主要包括病人基本信息验证、病人坠床检测及报警、伤口部位查找、病人生命特征信息获取及传送、病人治疗信息获取及传送、病人面部表情传输，当病人有异常行为时，机器人发出报警信号提醒护士采取措施。该巡视机器人具有性能稳定，可靠性强，灵活度高，可扩展性强，成本低的特点，非常适合在医院、家庭等环境下使用，未来随着人工智能的进一步发展，将会大量的出现在医院中，有效的节省人力成本，将会产生可观的的经济效益。 根据市场营销中4P理论(产品（Product）、渠道（Place）、价格（Price）、促销（Promotion）)进行分析，医院病房巡护机器人主要应用于以医院为主的医疗机构，由于其具有先进的技术优势，在激烈的市场竞争中更具有竞争力，适于发展成为大量制造的规模化产品，具有可靠的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 美国和日本是目前世界上护士助理机器人研制比较成熟的两个国家。2004年9月，美国密西西比州的德耳塔地方医护中心开始使用一种护士助理机器人，医护人员称之为“EMMA” 。EMMA能为病人送药品、食物、实验样本、病历等等。2006年10月美国加利福尼亚圣巴巴拉In Touch医疗软件公司研制成功了RP-7机器人，能够实现医生与病人面对面交流，并且医生用操纵杆控制机器人移动。目前，全世界有100多台RP-7机器人投入使用。 松下电工2002年开始与日本滋贺医科大学附属医院共同开发医院智能跑腿机器人HOSPI，以代替人传递X光片、样本和药品等。2007年11月27日那天，日本东京一家医院的一个护士助手机器人为其服务的病人送早餐的工作情形。这种机器人名为Wendy，不但能抓取不同材质的物品，还能与病人进行日常对晤。 除美国和日本外，欧洲的一些国家如英国、挪威等国也都展开了对医院服务机器人的研制。 国内的医院病房服务领域，也取得了一定的成果。哈尔滨工程大学在2003年5月“非典”高峰期，研制成功了基于图像的无线遥控护士助手机器人，能执行病区消毒、为病人送药、送饭及牛活用品等任务，还能协助护士运送医疗器械和设备、实验样品及实验结果等。中国科学院自动化研究所在“非典”期间也研制了一台“非典”助手机器人。它可代替医护人员在病区查房，为病人送药、送饭及生活用品，并能协助医护人员运送医疗器械和设备、实验样品、处理病区垃圾等，最多可一次运送重达三十千克的物品。
