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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 醫(yī)院病房巡視機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)制作完成醫(yī)院病房巡視機(jī)器人一臺(tái)，能夠滿(mǎn)足醫(yī)院病房復(fù)雜環(huán)境下的日常巡護(hù)任務(wù)。護(hù)士通過(guò)遠(yuǎn)程PC機(jī)或機(jī)載PC機(jī)上的簡(jiǎn)單手動(dòng)或語(yǔ)音操作，即可指示機(jī)器人進(jìn)行某個(gè)病房或多個(gè)病房的巡視任務(wù)。記錄病人生理指標(biāo)和儀器的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，以圖像形式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC機(jī)上。遠(yuǎn)程PC機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。能夠按照護(hù)士指令，捕獲病人行為和表情，以便于護(hù)士對(duì)病人異常行為檢測(cè)。
- 詳細(xì)介紹：
- 醫(yī)院病房巡護(hù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要包括兩部分：基于ARM的底層移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和機(jī)載PC系統(tǒng)。 最上層的為用戶(hù)計(jì)算機(jī)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的方式與機(jī)載PC通訊。用戶(hù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的控制和監(jiān)視。護(hù)士可以通過(guò)用戶(hù)計(jì)算機(jī)任務(wù)的下達(dá)和機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。 醫(yī)院病房巡護(hù)機(jī)器人配置機(jī)載PC系統(tǒng)，用來(lái)處理較復(fù)雜的本地任務(wù)；同時(shí)機(jī)載PC具有通用的外圍設(shè)備接口，支持一些高級(jí)外設(shè)，如觸摸屏。機(jī)載PC可以用來(lái)處理機(jī)器人視覺(jué)，實(shí)現(xiàn)諸如顏色跟蹤、讀取QR-Code標(biāo)簽等任務(wù)。機(jī)載PC配置麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器用以與護(hù)士和病人的語(yǔ)音交互。傳感器系統(tǒng)主要包括：StarGazer 紅外定位系統(tǒng)、RFID 無(wú)線(xiàn)射頻讀卡器、激光傳感器等。StarGazer 紅外定位系統(tǒng)用于機(jī)器人醫(yī)院環(huán)境下的精確定位，RFID無(wú)線(xiàn)射頻讀卡器用于對(duì)醫(yī)院環(huán)境中設(shè)置的RFID標(biāo)簽的讀取，如讀取病人信息卡獲取病人的基本信息，激光傳感器用于導(dǎo)航過(guò)程中測(cè)距深度信息的獲得。 底層的核心控制器選用了具有Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器STM32F103，并嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的底層控制任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人的底層服務(wù)，如運(yùn)動(dòng)控制、電源管理、傳感器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集、CAN總線(xiàn)等都由STM32來(lái)管理。STM32通過(guò)RS232方式與機(jī)載PC通訊。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括雙H橋驅(qū)動(dòng)、PWM控制，雙輪轉(zhuǎn)速（電壓調(diào)節(jié)器）以及轉(zhuǎn)矩（電流調(diào)節(jié)器）控制的硬件設(shè)計(jì)以及PID算法的實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)配置超聲波傳感器和紅外傳感器，用于距離檢測(cè)、自動(dòng)避障、環(huán)境建模、定位以及導(dǎo)航。移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可以支持2個(gè)聲納環(huán)，每個(gè)環(huán)最多有8個(gè)超聲波換能器，測(cè)量距離的范圍為10cm至大于4m，主要用于10cm以外的距離檢測(cè)和避障。紅外傳感器的輸出為開(kāi)關(guān)量，檢測(cè)距離較近、能夠檢測(cè)處于超聲傳感器盲區(qū)的障礙物。 慣性測(cè)量單元的作用有兩個(gè)：一是精確測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和姿態(tài)；二是提供錯(cuò)誤診斷能力，保證平臺(tái)的可靠運(yùn)行，防止因平臺(tái)失控而造成危險(xiǎn)。慣性測(cè)量單元的控制器選用STM32，配置加速度傳感器、陀螺儀和指南針。慣性測(cè)量單元通過(guò)UART與核心控制器進(jìn)行通信。 使用CAN總線(xiàn)作為系統(tǒng)的擴(kuò)展總線(xiàn)，可掛接具備不同功能的CAN節(jié)點(diǎn)模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本項(xiàng)目的研究目的： 本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)制作完成醫(yī)院病房巡視機(jī)器人一臺(tái)，能夠滿(mǎn)足醫(yī)院病房復(fù)雜環(huán)境下的日常巡護(hù)任務(wù)。 基本思路： 1.巡視機(jī)器人硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.嵌入式程序的開(kāi)發(fā) 3.基于多傳感器的導(dǎo)航信息融合算法研究 4.病人的生理特征參數(shù)的提取 5.醫(yī)院病房巡視機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái)設(shè)計(jì) 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.醫(yī)院病房巡視機(jī)器人，將會(huì)成為醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域的新成員。 2.針對(duì)醫(yī)院病房環(huán)境，提出多種新穎的導(dǎo)航定位手段，如精確的StarGazer 紅外定位，利用QR-code技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模型的分析與建立 2.巡視機(jī)器人能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)動(dòng)，所需要的下位機(jī)硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.機(jī)載PC與下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)以及容錯(cuò)措施的設(shè)計(jì) 4.巡視機(jī)器人傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及在導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用 5.基于無(wú)線(xiàn)Wifi網(wǎng)絡(luò)的巡視機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制 主要技術(shù)指標(biāo)： （1）巡視機(jī)器人電池容量應(yīng)能滿(mǎn)足其正常工作5～6小時(shí)，電源管理具備過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)、低電壓報(bào)警和自動(dòng)關(guān)機(jī)、斷電功能，以避免丟失數(shù)據(jù)或損壞電池； （2）下位機(jī)控制系統(tǒng)具有低功耗和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力并具備故障診斷能力； （3）配置紅外光電傳感器和超聲波傳感器，激光傳感器，加速度計(jì)和陀螺儀； （4）運(yùn)動(dòng)性能：采用兩輪差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)；行駛速度最大達(dá)到1m/s以上；可實(shí)現(xiàn)零半徑旋轉(zhuǎn)；負(fù)載能力60kg； （5）具有一定的人機(jī)交互能力，安裝觸摸顯示屏、麥克風(fēng)、音箱
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.因?yàn)獒t(yī)院病房巡視機(jī)器人的服務(wù)對(duì)象是病人，機(jī)器人運(yùn)行的安全性至關(guān)重要。為了保證系統(tǒng)絕對(duì)的安全性與準(zhǔn)確性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中擬采用諸如雙ARM核結(jié)構(gòu)，軟硬件冗余，完善的故障診斷，多達(dá)四種應(yīng)急停車(chē)等措施。 2.避障測(cè)距傳感器設(shè)計(jì)。機(jī)器人可以支持2個(gè)聲納環(huán)，每個(gè)環(huán)有8個(gè)超聲波換能器，用于障礙物檢測(cè)、距離檢測(cè)和自動(dòng)避障，環(huán)境建模，定位，以及導(dǎo)航。 3.配備了豐富的測(cè)距和定位傳感器系統(tǒng)，易于機(jī)器人的導(dǎo)航定位?？紤]到導(dǎo)航的準(zhǔn)確性、快速性及可靠性，采用了高精度、高分辨率、寬視場(chǎng)的UTM-30LX-2維激光掃描測(cè)距儀加StarGazer傳感器采集天花板的圖標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航； 4.機(jī)器人配備高精度MR編碼器、陀螺儀、加速度計(jì)，在底層的嵌入式控制系統(tǒng)μC/OS-II的調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。 5.將QR-code二維碼技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中，借助二維碼存儲(chǔ)信息量大的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航過(guò)程中的地圖創(chuàng)建過(guò)程。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 研發(fā)已完成
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專(zhuān)利保密 不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物或視頻演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 巡視機(jī)器人以自主運(yùn)行和主從遙控兩種工作方式，協(xié)助護(hù)士對(duì)病房進(jìn)行巡視。護(hù)士給機(jī)器人下達(dá)指令，查看病房?jī)?nèi)病人行為和所處狀態(tài)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)探查及病房?jī)?nèi)目標(biāo)看護(hù)點(diǎn)的圖像采集及圖片傳輸。具體任務(wù)主要包括病人基本信息驗(yàn)證、病人墜床檢測(cè)及報(bào)警、傷口部位查找、病人生命特征信息獲取及傳送、病人治療信息獲取及傳送、病人面部表情傳輸，當(dāng)病人有異常行為時(shí)，機(jī)器人發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒護(hù)士采取措施。該巡視機(jī)器人具有性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，靈活度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低的特點(diǎn)，非常適合在醫(yī)院、家庭等環(huán)境下使用，未來(lái)隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì)大量的出現(xiàn)在醫(yī)院中，有效的節(jié)省人力成本，將會(huì)產(chǎn)生可觀(guān)的的經(jīng)濟(jì)效益。 根據(jù)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)中4P理論(產(chǎn)品（Product）、渠道（Place）、價(jià)格（Price）、促銷(xiāo)（Promotion）)進(jìn)行分析，醫(yī)院病房巡護(hù)機(jī)器人主要應(yīng)用于以醫(yī)院為主的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，由于其具有先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更具有競(jìng)爭(zhēng)力，適于發(fā)展成為大量制造的規(guī)?；a(chǎn)品，具有可靠的經(jīng)濟(jì)效益。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 美國(guó)和日本是目前世界上護(hù)士助理機(jī)器人研制比較成熟的兩個(gè)國(guó)家。2004年9月，美國(guó)密西西比州的德耳塔地方醫(yī)護(hù)中心開(kāi)始使用一種護(hù)士助理機(jī)器人，醫(yī)護(hù)人員稱(chēng)之為“EMMA” 。EMMA能為病人送藥品、食物、實(shí)驗(yàn)樣本、病歷等等。2006年10月美國(guó)加利福尼亞圣巴巴拉In Touch醫(yī)療軟件公司研制成功了RP-7機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)生與病人面對(duì)面交流，并且醫(yī)生用操縱桿控制機(jī)器人移動(dòng)。目前，全世界有100多臺(tái)RP-7機(jī)器人投入使用。 松下電工2002年開(kāi)始與日本滋賀醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院共同開(kāi)發(fā)醫(yī)院智能跑腿機(jī)器人HOSPI，以代替人傳遞X光片、樣本和藥品等。2007年11月27日那天，日本東京一家醫(yī)院的一個(gè)護(hù)士助手機(jī)器人為其服務(wù)的病人送早餐的工作情形。這種機(jī)器人名為Wendy，不但能抓取不同材質(zhì)的物品，還能與病人進(jìn)行日常對(duì)晤。 除美國(guó)和日本外，歐洲的一些國(guó)家如英國(guó)、挪威等國(guó)也都展開(kāi)了對(duì)醫(yī)院服務(wù)機(jī)器人的研制。 國(guó)內(nèi)的醫(yī)院病房服務(wù)領(lǐng)域，也取得了一定的成果。哈爾濱工程大學(xué)在2003年5月“非典”高峰期，研制成功了基于圖像的無(wú)線(xiàn)遙控護(hù)士助手機(jī)器人，能執(zhí)行病區(qū)消毒、為病人送藥、送飯及?；钣闷返热蝿?wù)，還能協(xié)助護(hù)士運(yùn)送醫(yī)療器械和設(shè)備、實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所在“非典”期間也研制了一臺(tái)“非典”助手機(jī)器人。它可代替醫(yī)護(hù)人員在病區(qū)查房，為病人送藥、送飯及生活用品，并能協(xié)助醫(yī)護(hù)人員運(yùn)送醫(yī)療器械和設(shè)備、實(shí)驗(yàn)樣品、處理病區(qū)垃圾等，最多可一次運(yùn)送重達(dá)三十千克的物品。
