CN110189811B - 一种心梗急救喂药机器人及其工作方法 - Google Patents

一种心梗急救喂药机器人及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种心梗急救喂药机器人及其工作方法，所述机器人包括机器人机身、设于机器人机身的中央处理器、医疗箱、机械臂、滑轮、与中央处理器连接的手环检测设备、双目深度摄像头、红外雷达、步进电机、关节伺服电机。手环检测设备实时监测患者心电图信号，并将心电图信号和患者位置信息发送给中央处理器；中央处理器判断出心电图信号异常后，控制步进电机驱动滑轮到达患者位置；双目深度摄像头对患者姿态和面部口鼻精确识别，机械臂在关节伺服电机驱动下根据患者状态辅助患者服药。本发明目的在于监控心梗独居患者日常心电图，在患者突发心肌梗死时可以及时帮助患者服用药物，可以大大的降低了患者因突发心肌梗死的而导致严重后果的可能性。

Description

一种心梗急救喂药机器人及其工作方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种心梗急救喂药机器人及其工作方法。
背景技术
心梗病发后黄金一小时内如未得到及时有效的救治，患者就可能出现心脏衰竭甚至死亡。特别是对独居患者而言，非常需要一款能够进行实施急救喂药和发送急救信号的智能家庭守护者。经调研，市场上能进行紧急施救的家庭机器人存在空白。随着科学技术的不断进步，机器人开始走向千家万户，通过心梗急救喂药机器人来实现患者发病时能够快抢、快救、快送，避免数万家庭发生悲剧。
发明内容
本发明提供一种心梗急救喂药机器人及其工作方法，旨在针对心梗患者在发病时无法自救，机器人为其提供急救喂药，降低患者发病时因为服药不及时或者没能及时向医院发送急救信号而导致的死亡风险。
为了实现上述目的，本发明一方面公开了：
一种心梗急救喂药机器人，包括机器人机身、设于机器人机身的中央处理器、医疗箱、机械臂、滑轮、与中央处理器连接的手环检测设备、双目深度摄像头、红外雷达、步进电机、关节伺服电机，其中滑轮由步进电机驱动，机械臂由关节伺服电机；
所述手环检测设备佩戴于患者手部，用于实时监测患者心电图信号及患者位置信息，并将心电图信号和患者位置信息传送至中央处理器；
所述中央处理器，用于判断出心电图信号异常后，结合红外雷达扫描地图建立的场景模型，根据所述患者位置信息以及生成的路径规划与避障策略控制步进电机，步进电机驱动滑轮到达患者位置；
所述双目深度摄像头用于对患者姿态和脸部进行识别，识别出患者姿态和面部特征之后，机械臂在关节伺服电机驱动下根据患者状态选择拾取医疗箱中的硝酸甘油药片或是硝酸甘油喷雾，辅助患者服药。
进一步的，所述手环检测设备包括心电图监测装置、Wi-Fi发射模块和定位标签，所述心电图监测装置用于实时监测患者心电图信号，所述定位标签通过和室内多个的UWB定位基站通讯确定患者位置，通过Wi-Fi发射模块实时发送患者心电图信号和位置信息到中央处理器。
进一步的，所述手环检测设备还包括报警单元，中央处理器对心电图信号进行预处理、滤波，若监测信号异常，则中央处理器向手环监测设备的Wi-Fi发射模块反馈报警信号，驱动报警单元发出警报。
进一步的，所述手环检测设备还包括与报警单元连接的机械按键、与Wi-Fi发射模块连接的触屏操作单元，机械按键、触屏操作单元置于手环监测设备的外壳，触屏操作单元用于患者日常自主操作机器人；当报警单元出现报警信息后，患者根据自身状况选择通过机械按键手动解除报警状态，机器人取消执行后续动作。
进一步的，还包括与中央处理器连接的无线通信模块，用于在中央处理器判断出心电图信号异常后，发送急救信号给定点医院。
进一步的，所述红外雷达用于通过对场景信息成像，将不断获取的空间图像传送给中央处理器，生成地图和障碍物云图，中央处理器通过新的图像不断地修正地图场景信息，不断地修正路径规划与避障策略，并向步进电机发出控制指令，实现滑轮的智能导航。
进一步的，所述机械臂包括7轴机械臂左臂和7轴机械臂左臂，分设于机器人机身两侧，第一关节通过旋转关节与机器人机身连接，中间段包含五个小臂，前端为三爪机械手。
进一步的，所述三爪机械手包括三爪机械手腕部、三爪机械手第一关节伺服电机、三爪机械手第一节、三爪机械手第二关节伺服电机、三爪机械手第二节，机械手指采用双关节手指设计，在各个关节处分别安装有关节伺服电机。
为了实现上述目的，本发明另一方面公开了：
一种心梗急救喂药机器人的工作方法，包括如下步骤：
手环检测设备实时监测患者心电图信号，并将心电图信号和患者位置信息发送给中央处理器；
中央处理器判断出心电图信号异常后，结合红外雷达扫描地图建立的场景模型，根据所述患者位置信息以及生成的路径规划与避障策略控制步进电机，步进电机驱动滑轮到达患者位置；
双目深度摄像头对患者姿态和面部口鼻精确识别，机械臂在关节伺服电机驱动下根据患者状态选择拾取医疗箱中的硝酸甘油药片或是硝酸甘油喷雾，辅助患者服药。
进一步的，中央处理器判断出心电图信号异常后，发送急救信号给定点医院。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种心梗急救喂药机器人，能实时有效的监测心梗患者的身体状况并且反馈给定点医院的医生，同时在患者发病无法自主服药的时候，机器人能帮助患者及时服药，及时发送求救信号给定点医院医生，减低患者因为发病无法自救的死亡风险。
(2)本发明提供了一套机器人如何实现心梗急救喂药的工作方法，能有效的实现信息互通、患者定位、自动导航和精准喂药，能让患者感到实用、安全、方便。
附图说明
图1是本发明心梗急救喂药机器人的正视图；
图2是本发明心梗急救喂药机器人的侧视图；
图3是本发明心梗急救喂药机器人其中一个机械臂的结构示意图；
图4是本发明心梗急救喂药机器人中三爪机械手的结构示意图；
图5是本发明心梗急救喂药机器人内部电路模块原理框图；
图6是本发明中手环检测设备的模块框图；
图7是本发明心梗急救喂药机器人的工作方法的主控制逻辑图；
图8是本发明心梗急救喂药机器人中自动充电模块的控制逻辑图；
图9是本发明中面部特征识别逻辑图；
图10是Haar-like特征图；
图11是本发明心梗急救喂药机器人的机械臂运动模型图。
图中：1—双目深度摄像头；2—红外雷达；3—7轴机械臂右臂；4—7轴机械臂左臂；5—中央处理器；6—医疗箱；7—蓄电池；8—移动装置；9—7轴机械臂第一节；10—7轴机械臂第二节；11—7轴机械臂第三节；12—7轴机械臂第四节；13—7轴机械臂第五节；14—7轴机械臂第六节；15—三爪机械手；16—三爪机械手腕部；17—三爪机械手第一关节伺服电机；18—三爪机械手第一节；19—三爪机械手第二关节伺服电机；20—三爪机械手第二节，21—手环检测设备，22—无线通信模块，23—步进电机，24—滑轮，25—关节伺服电机，26—机械臂，211—心电图监测装置，212—Wi-Fi发射模块，213—定位标签，214—报警单元，215—机械按键，216—触屏操作单元。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1-6，本发明心梗急救喂药机器人其中一个实施例包括机器人机身、设于机器人机身的中央处理器5、医疗箱6、机械臂26、滑轮24、与中央处理器5连接的手环检测设备21、无线通信模块22、双目深度摄像头1、红外雷达2、步进电机23、关节伺服电机25，其中滑轮24由步进电机23驱动，机械臂26由关节伺服电机25。所述步进电机23以及由其驱动的滑轮24组成移动装置8，其中滑轮24可采用全向轮，且采用对称布置，用于支撑机器人机身。医疗箱6中放置有硝酸甘油药片或是硝酸甘油喷雾，用于治疗心梗疾病。
双目深度摄像头1位于看机器人头部，红外雷达2位于机器人头部下方，机械臂26位于机器人左右两侧，移动装置8位于机器人底部。医疗箱6可采用自启盖式医疗箱，位于机器人底座上部。
请进一步参阅图6，所述手环检测设备21佩戴于患者手部，包括心电图监测装置211、Wi-Fi发射模块212和定位标签213，所述心电图监测装置211用于实时监测患者心电图信号，所述定位标签213通过和室内多个的UWB定位基站通讯确定患者位置，通过Wi-Fi发射模块212实时发送患者患者心电图信号和位置信息到中央处理器5。
所述手环检测设备21还包括报警单元214、机械按键215、触屏操作单元216，所述手环监测设备21将心电图信号通过Wi-Fi发射模块212传递给中央处理器5，中央处理器5对心电图信号进行预处理、滤波，若监测信号异常，则中央处理器5向手环监测设备21的Wi-Fi发射模块212反馈报警信号，驱动报警单元214发出警报(例如声光报警)；机器人此时处于应急待命状态。机械按键215、触屏操作单元216置于手环监测设备21的外壳，触屏操作单元216与Wi-Fi发射模块212电性连接，用于患者日常自主操作机器人；当手环出现报警信息后，患者可以根据自身状况，选择通过机械按键215手动解除报警状态，机器人取消执行后续动作。
在通过机械按键215手动解除报警后，手环检测设备21可进入手环语言控制或环按键控制模式。所述中央处理器5还具有语言识别模块，当患者向手环检测设备21发出相应的语音指令，手环检测设备21通过Wi-Fi发射模块212将语音指令传输给中央处理器5，中央处理器5通过判读语言信号的内容，执行后续操作；手环按键控制为患者通过主动的按下相关的按键，机器人收到呼叫信号后，执行相应的操作。
中央处理器5判断出心电图信号异常后，在发出报警信号的同时，通过无线通信模块22(例如GSM模块)发送急救信号(包含患者心电图信号、患者位置信息等)给定点医院，以便医院及时派出医护人员及时赶赴现场进行救治。
中央处理器5通过接收的患者位置信息，结合红外雷达2扫描地图建立的场景模型，根据生成的路径规划与避障策略控制步进电机23，步进电机23驱动滑轮24到达患者位置。然后，所述双目深度摄像头1对患者的姿态和面部特征成像，传递给中央处理器5，中央处理器5判断患者状态，医疗箱6自动打开，机械臂26在关节伺服电机25作用下根据患者状态选取药丸或者喷雾辅助患者服药。
其中，所述红外雷达2通过对场景信息成像，将不断获取的空间图像传送给中央处理器5，生成地图和障碍物云图，中央处理器5通过新的图像不断地修正地图场景信息，不断地修正路径规划与避障策略，并向步进电机23发出控制指令，实现滑轮24的智能导航。
所述双目深度摄像头1对患者姿态和脸部进行识别，通过多级串联分类器识别(如图9所示)，确保特征识别的准确性，识别出患者姿态和面部特征之后判断选取何种喂药方式，在完成患者面部特征判断之后，在面部区域基础上再对患者口鼻等五官特征进行识别。
具体的，通过提取图像得出Haar-like特征(典型的Haar-like特征如图10所示)。将Haar-like特征在图片上进行滑动，在每个位置计算白色区域对应的像素值的和减去黑色区域对应的像素值的和，从而提取出该位置的特征，人脸区域与非人脸区域提取出的特征值不同，从而区分出人脸区域和非人脸区域，人脸识别采用了多级串联符合的控制逻辑模式，确保了人脸识别的准确率，在人脸识别的基础上采用同样的多级串联符合和滑动算法识别出患者的口、鼻等器官位置。
请参阅图3及图4，所述机械臂26包括7轴机械臂左臂3和7轴机械臂左臂4，分设于机器人机身两侧，采用七轴设计，第一关节(7轴机械臂第一节9)通过旋转关节与机器人机身连接，中间段包含五个小臂(7轴机械臂第二节10、7轴机械臂第三节11、7轴机械臂第四节12、7轴机械臂第五节13、7轴机械臂第六节14)，前端为三爪机械手15。
所述三爪机械手15包括三爪机械手腕部16、三爪机械手第一关节伺服电机17、三爪机械手第一节18、三爪机械手第二关节伺服电机19、三爪机械手第二节20，机械手指采用双关节手指设计，在各个关节处分别安装有关节伺服电机。
如图11所示，假设圆圈为物体所在，双目深度摄像头探测到距离为R，n个机械臂的关节标记为q0,q1...qn-1，示意图标示了其中的q1和q3，以机械臂O′为坐标系原点建立坐标系(x',y',z')，物体在相机的坐标系中坐标为P，在机械臂坐标系中坐标为P′，则P'＝A·P+B
其中A为翻转矩阵，B为平移矩阵：
计算可以得到：
假设机械臂的关节q和q3固定不动，则当q0等于0时，q1跟(x',y',z')的关系为：
v为q1与q0在x′轴上的距离。
如果q0不等于0，则
从上面式子可以解算得到：
所以，只要得到物体距离R，就可以解算得到机械臂的关节点的转动角度。7轴机械臂左臂3和7轴机械臂左臂4通过双目深度摄像头1提供的目标位置的距离方位信息，求得7轴机械臂的逆解，机械臂进行运动路径规划，完成相应的取药、喂药动作。
本发明还包括为机器人提供电源的蓄电池7，采用家用220V交流电充电技术，并且通过将电量信号与中央处理器5互通，实现自动充电功能(如图8所示)。自动充电控制是蓄电池7的电量低于30％时，机器人自动回充，当电量达到100％时解除充电状态，当自动监测信号异常或收到语言或者按键呼叫时，机器人解除充电，实施后续的急救动作。
如图6自动充电控制是机器人电量低于30％时，机器人自动回充，当电量达到100％时解除充电状态，当自动监测信号异常或收到手环发出的语言或按键呼叫时，机器人解除充电，转而实施后续的急救动作。
请参阅7，本发明还提供上述心梗急救喂药机器人的工作方法，包括以下步骤：
手环检测设备21实时监测患者心电图信号，并将心电图信号和患者位置信息发送给中央处理器5，中央处理器5判断出心电图信号异常后，发送急救信号给定点医院；
中央处理器5判断出心电图信号异常后，结合红外雷达2扫描地图建立的场景模型，根据所述患者位置信息以及生成的路径规划与避障策略控制步进电机23，步进电机23驱动滑轮24到达患者位置；
双目深度摄像头1对患者姿态和面部口鼻精确识别，机械臂26在关节伺服电机25驱动下根据患者状态选择拾取医疗箱6中的硝酸甘油药片或是硝酸甘油喷雾，辅助患者服药。具体的，根据患者状态判别，若是患者尚未昏迷，机械臂26打开药箱盖6，拾取硝酸甘油药片，机械臂4打开保持患者口腔微张，进行喂药；否则，则选取硝酸甘油喷雾，通过鼻息的方式服药。

Claims (5)

1.一种心梗急救喂药机器人，其特征在于：包括机器人机身、设于机器人机身的中央处理器（5）、医疗箱（6）、机械臂（26）、滑轮（24）、与中央处理器（5）连接的手环检测设备（21）、双目深度摄像头（1）、红外雷达（2）、步进电机（23）、关节伺服电机（25），其中滑轮（24）由步进电机（23）驱动，机械臂（26）由关节伺服电机（25）；
所述手环检测设备（21）佩戴于患者手部，用于实时监测患者心
电图信号及患者位置信息，并将心电图信号和患者位置信息传送至中央处理器（5）；
所述中央处理器（5），用于判断出心电图信号异常后，结合红外雷达（2）扫描地图建立的场景模型，根据所述患者位置信息以及生成的路径规划与避障策略控制步进电机（23），步进电机（23）驱动滑轮（24）到达患者位置；
所述双目深度摄像头（1）用于对患者姿态和脸部进行识别，识别出患者姿态和面部特征之后，机械臂（26）在关节伺服电机（25）驱动下根据患者状态选择拾取医疗箱（6）中的硝酸甘油药片或是硝酸甘油喷雾，辅助患者服药；
所述手环检测设备（21）包括心电图监测装置（211）、Wi-Fi发射模块（212）和定位标签（213），所述心电图监测装置（211）用于实时监测患者心电图信号，所述定位标签（213）通过和室内多个的UWB定位基站通讯确定患者位置，通过Wi-Fi发射模块（212）实时发送患者心电图信号和位置信息到中央处理器（5）；
所述手环检测设备（21）还包括报警单元（214），中央处理器（5）对心电图信号进行预处理、滤波，若监测信号异常，则中央处理器（5）向手环检测设备（21）的Wi-Fi发射模块（212）反馈报警信号，驱动报警单元（214）发出警报；
所述手环检测设备（21）还包括与报警单元（214）连接的机械按键（215）、与Wi-Fi发射模块（212）连接的触屏操作单元（216），机械按键（215）、触屏操作单元（216）置于手环检测设备（21）的外壳，触屏操作单元（216）用于患者日常自主操作机器人；当报警单元（214）出现报警信息后，患者根据自身状况选择通过机械按键（215）手动解除报警状态，机器人取消执行后续动作；
所述红外雷达（2）用于通过对场景信息成像，将不断获取的空间图像传送给中央处理器（5），生成地图和障碍物云图，中央处理器（5）通过新的图像不断地修正地图场景信息，不断地修正路径规划与避障策略，并向步进电机（23）发出控制指令，实现滑轮（24）的智能导航；
还包括与中央处理器（5）连接的无线通信模块（22），用于在中央处理器（5）判断出心电图信号异常后，发送急救信号给定点医院。
2.如权利要求1所述的心梗急救喂药机器人，其特征在于：包括：所述机械臂（26）包括7轴机械臂右臂（3）和7轴机械臂左臂（4），分设于机器人机身两侧，第一关节通过旋转关节与机器人机身连接，中间段包含五个小臂，前端为三爪机械手（15）。
3.如权利要求2所述的心梗急救喂药机器人，其特征在于：包括：所述三爪机械手（15）包括三爪机械手腕部（16）、三爪机械手第一关节伺服电机（17）、三爪机械手第一节（18）、三爪机械手第二关节伺服电机（19）、三爪机械手第二节（20），机械手指采用双关节手指设计，在各个关节处分别安装有关节伺服电机。
4.一种权利要求1-3中任一所述的心梗急救喂药机器人的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
手环检测设备（21）实时监测患者心电图信号，并将心电图信号和患者位置信息发送给中央处理器（5）；
中央处理器（5）判断出心电图信号异常后，结合红外雷达（2）扫描地图建立的场景模型，根据所述患者位置信息以及生成的路径规划与避障策略控制步进电机（23），步进电机（23）驱动滑轮（24）到达患者位置；
双目深度摄像头（1）对患者姿态和面部口鼻精确识别，机械臂（26）在关节伺服电机（25）驱动下根据患者状态选择拾取医疗箱（6）中的硝酸甘油药片或是硝酸甘油喷雾，辅助患者服药。
5.如权利要求4所述的心梗急救喂药机器人的工作方法，其特征在于：中央处理器（5）判断出心电图信号异常后，发送急救信号给定点医院。
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