CN113001553A - 一种智能巡诊机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种智能巡诊机器人，机器人底盘1中安装有电源5和驱动电机2，电源5用于为所述智能巡诊机器人中的部件供电，驱动电机2和转向舵机3连接电源5，转向舵机3用于控制车轮4的方向；机器人底盘1的上表面还安装有作业平台，在所述作业平台上安装有摄像头10、药箱舵机13和药箱14，药箱舵机13用于驱动药箱14的盖子的开合；机械臂11通过旋转平台17安装在所述作业平台上，机械臂11的作业端为机械爪18，机械爪18的指节上安装有生命体征测量仪器15。该方案主要用作代替护士往返值班处与病房之间，实现送药巡诊等功能，尤其是疫情期间，或者传染性疾病病房中，减轻了护士的压力，提高了送药巡诊的工作效率。

Description

一种智能巡诊机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种智能巡诊机器人。

背景技术

在本次新冠疫情期间，紧急投入使用的医疗服务机器人发挥了很大的作用，尤其是承担了很多送药工作。

在这之前，国内外也对医疗服务机器人已经了一些研究，也有不少医疗服务机器人投入市场。但是由于需要集成多项功能以便于适应各类医疗场景，这类医疗服务机器人的成本较高，在防疫和隔离工作中造成一定的功能浪费。而一些基于向导机器人改装的医疗服务机器人，则更多得是用于室内运输药品、餐食和垃圾等，起到的仅仅是一种类似于AGV物流小车的作用。

因此，如何进一步平衡功能和制造难度，在实现基础的室内导航巡诊、送药功能的同时，降低生产制造难度和成本，成为了后疫情时代对于医疗服务机器人的设计思路之一。

发明内容

本发明的实施例提供一种智能巡诊机器人，能够用作代替护士往返值班处与病房之间，实现送药巡诊等功能，尤其是疫情期间，或者传染性疾病病房中，减轻了护士的压力，提高了送药巡诊的工作效率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

机器人底盘(1)中安装有电源(5)和驱动电机(2)，电源(5)用于为所述智能巡诊机器人中的部件供电，驱动电机(2)和转向舵机(3)连接电源(5)，转向舵机(3)用于控制车轮(4)的方向；

机器人底盘(1)的上表面还安装有作业平台，在所述作业平台上安装有摄像头(10)、药箱舵机(13)和药箱(14)，药箱舵机(13)用于驱动药箱(14)的盖子的开合；

机械臂(11)通过旋转平台(17)安装在所述作业平台上，机械臂(11)的作业端为机械爪(18)，机械爪(18)的指节上安装有生命体征测量仪器(15)。

本发明实施例提供的智能巡诊机器人，可以根据病人信息，抓取相应药品。并且可以利用机械臂抓取病人手臂，用安装在机械爪上的生命体征测量仪器采取病人信息，并反馈给控制终端。在实现基础的室内导航巡诊、送药功能的同时，降低生产制造难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为送药机巡诊器人的整体工作流程图；

图2为智能巡诊机器人的导航流程图；

图3为智能巡诊机器人的送药看诊流程图；

图4为智能巡诊机器人的结构示意图；

图5、6、7为机械爪的局部放大示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例的设计目的在于，对疫情期间或者具有传染性疾病的医院病房内送药巡诊困难的问题，提出了一种基于激光雷达的SLAM(simultaneous localization andmapping，同步定位与建图)技术的智能巡诊机器人以及一种送药巡诊方法。在室内场景中可以通过激光雷达建图、导航及避障，通过机械臂完成抓药、放药动作，同时还能通过生命体征测量仪器完成对病人的体温、血压和心率等生命体征进行测量。

本发明实施例提供一种智能巡诊机器人，如图4所示，包括：

机器人底盘(1)中安装有电源(5)和驱动电机(2)，电源(5)用于为所述智能巡诊机器人中的部件供电，驱动电机(2)和转向舵机(3)连接电源(5)，转向舵机(3)用于控制车轮(4)的方向。

机器人底盘(1)的上表面还安装有作业平台，在所述作业平台上安装有摄像头(10)、药箱舵机(13)和药箱(14)，药箱舵机(13)用于驱动药箱(14)的盖子的开合。

机械臂(11)通过旋转平台(17)安装在所述作业平台上，机械臂(11)的作业端为机械爪(18)，机械爪(18)的指节上安装有生命体征测量仪器(15)。如图4所示的，机械臂(11)可以分为多段，每段之间通过机械臂舵机(12)连接，机械臂(11)与作业端的机械爪(18)之间也通过机械臂舵机(12)连接，从而实现多轴联动。

具体的，机器人底盘(1)的上表面安装有上位机(7)、下位机(8)和激光雷达(9)。机器人底盘(1)的上表面固定安装有四根支柱，所述四根支柱上固定安装有亚克力板作为所述作业平台，在所述作业平台上还安装有显示屏(16)。电源(5)通过电线分别连接上位机(7)、下位机(8)、生命体征测量仪器(15)和显示屏(16)和扬声器(19)。本实施例中，扬声器的安装位置并不固定，例如可以安装在机器人底盘(1)的下表面，从而避免落灰或者被消毒水腐蚀。

本实施例中，如图4、5、6所示的，机械爪(18)分为至少三段指节。第一段指节上粘贴有橡胶防滑头，用于抓取药品。中间段指节为弧形结构，并且在所述中间段指节上安装有生命体征测量仪器(15)。第三段指节通过机械臂舵机(12)连接机械臂(11)。实际应用中，整个机械臂功能模块，可以由一个旋转平台、三个机械臂关节、机械爪以及安装在机械爪上的生命体征测量仪器这几部分组成，旋转平台、关节和机械爪都有舵机控制，舵机都通过舵机驱动模块与主控相连。其中机械爪分为三个“指节”，中间一段指节安装有生命体征测量传感器，设计成弧形结构，便于更好地贴合病人的手臂，测量病人的血压、心率和体温等生命体征；末端一段指节连接机械臂。

进一步的，如图7所示，所述第三段指节连接的机械臂舵机(12)的外壳上，开设有消毒喷口(20)，消毒喷口(20)通过连接输液软管连接消毒液瓶。其中，消毒喷口(20)采用雾化喷口，吸水泵设置在消毒液瓶的瓶口与输液软管的连接处，或者，设置在消毒喷口(20)与输液软管的连接处。消毒液瓶可以安装在任意位置，只要不妨碍机械臂活动即可。吸水泵用于从消毒液瓶中吸取液态消毒液，并经过输液软管输送后通过消毒喷口(20)挤压喷出。从而可以实时进行消毒，尤其在中间段指节接触病人的手臂后，即可进行喷雾消毒机械爪(18)。

本实施例中，机器人底盘(1)内固定有一个电源(5)、两个驱动电机(2)、一个转向舵机(3)和四个车轮(4)，电机驱动器集成在下位机(8)中。其中，所述电机驱动器用于接收下位机(8)发送的车轮转速指令，并输出PWM波给驱动电机(2)和转向舵机(3)，以便于实现机器人的前进、后退和转向。

下位机(8)中采用STM32作为主控芯片，所述主控芯片与上位机(7)、驱动器和舵机驱动模块相连。药箱(14)的盖子的一条边与发药箱舵机(13)连接，下位机(8)接收上位机(7)的发送的控制指令后，输出PWM波至药箱舵机(13)，触发药箱舵机(13)转动并开启药箱(14)。药箱(14)开启后触发机械臂(11)的抓药放药动作。

激光雷达(9)安装在机器人底盘(1)的中轴线并朝向机器人底盘(1)的前方。激光雷达(9)的扫描范围为0.15m-12m，扫描角度为0°-360°。机器人底盘(1)上设置的四根支柱应位于雷达屏蔽范围以内，即以激光雷达中心为圆心，半径0.15m的圆范围内，否则激光雷达会将支柱当作障碍物，并且该障碍物作为机器人整体的一部分，会对机器人的导航产生影响。

本实施例中，激光雷达(9)和摄像头(10)都通过USB线(6)连接到上位机(7)。上位机(7)与激光雷达(9)、摄像头(10)、生命体征测量仪器(15)和显示屏(16)相连，并通过WIFI通信模块与护士站的终端控制系统相连。

采用树莓派(Raspberry Pi，RPi)作为上位机(7)，具体采用的型号可以是树莓派4B，从而节约成本。作为上位机(7)，其中烧录了ubuntu操作系统，并安装了ROS机器人操作系统。上位机(7)中存储并运行SLAM算法，建立室内电子地图并保存。实际应用中，可以通过调用ROS中的Navigation导航功能包，启动导航节点，实现机器人自主定位、规划路径后自动导航，并且自主避障。上位机将采集到的机器人位置数据、病人的生命体征信息(体温、血压、心率等)通过WIFI传递给终端控制系统，以便医护人员随时调用查看。例如：在显示屏(16)显示病人生命信息(体温、血压、心率等)，或者还可以集成音视频通话功能，方便医护人员与病人之间直接沟通交流，提高问诊效率。

本实施例还提供一种智能巡诊机器人的驱动方法，包括：

步骤一、上位机(7)运行SLAM算法并启动建图节点，所述智能巡诊机器人在室内空间巡游并建立室内地图。

实际应用中，以被巡诊对象为病人、室内场景为医院为例，上位机接收来自某编号病床发出的指令，确定该病床的位置，自动规划路径，智能导航到目标点，期间自主避障。例如图1所示，采用激光雷达SLAM技术，本发明的实施例采用了基于图优化的cartographerSLAM建图技术，在模拟病房的场景中，树莓派运行SLAM算法，启动建图节点，动过键盘控制移动机器人在病房中行走几圈，建立好2D占据栅格地图并保存在相应的map文件夹中。

步骤二：根据所述室内地图生成巡诊路线，加载所述巡诊路线并启动所述智能巡诊机器人的导航程序。

实际应用中，下位机接收上位机发来的已到达目标点的信号，发出指令用相机扫描床头柜上的条形码和二维码获取病人的信息，以此决定自动开启几号药箱；之后下位机控制机械臂抓取药箱中的药品放到床头柜上并通过扬声器语音播报，病人通过生命体征测量仪器测量体温、血压和心率等。例如图1所示，在建好地图的基础上，通过编写导航程序设置好机器人到达各个病床目标点的位姿，编写不同的程序可以设置机器人送药巡诊的路线顺序；运行ROS的Navigation导航功能包中的导航节点，设置好机器人的初始位姿以及病床旁的目标点，机器人便可规划路径、自动导航，在遇到障碍物或行人时还可自主避障；当上位机接收到来自某编号病床发出的信息后，运行上述步骤二的导航程序，机器人便可规划路径、自动导航，在遇到障碍物或行人时还可自主避障。

步骤三：下位机(8)接收上位机(7)发送的目标点抵达信号，启动摄像头(10)进行扫码获取被巡诊对象的信息，并根据所述被巡诊对象的信息确定所开启的药箱编号，再根据所获取的药箱编号触发机械臂(11)抓取所述药箱编号所标记的药箱中的药品，其中，在所述作业平台上安装有至少一套药箱舵机(13)和药箱(14)。

实际应用中，如果病人一切正常，且没有接收到其他病床信息的时候，机器人自动导航回归到值班区；如果病人有不正常的情况，则向终端控制系统反馈相应的信息；如果接收到其他病床的信息，则导航到该病床目标点。例如：图1所示，下位机(8)接收上位机(7)发送的已到达目标点的信号，发出指令用相机扫描床头柜上的条形码和二维码获取被巡诊对象(比如病人)的信息，以此决定自动开启几号药箱，之后下位机控制机械臂抓取药箱中的药品放到床头柜上并语音播报，病人通过生命体征测量仪器测量体温、血压和心率等，并显示在显示屏上。

步骤四：机械爪(18)抓取所述被巡诊对象的手臂，并通过指节上安装的生命体征测量仪器(15)检测所述被巡诊对象的生命体征。

例如图1所示，如果病人一切正常，且没有接收到其他病床信息的时候，机器人智能导航回归到值班区；如果病人有不正常的情况，则向控制终端反馈相应的信息；如果接收到其他病床的信息，则导航到该病床目标点。

在本实施例中，如图2所示，所述步骤一具体包括：

S11、在建图之前，调整病床床布位置或者激光雷达的高度，使雷达能够扫描到床布，这样才能构建出包括病床在内的完整地图。从而在基于激光雷达SLAM建立全局代价地图基础上，进行全局路径规划，自动导航到目标点。即进行智能导航。

S12、在建图过程中，操作键盘的人应在雷达扫描不到的区域内，以免雷达将人当成障碍物扫描呈现在地图中。具体的，激光雷达在行走的过程中不断扫描自身周围环境，建立局部代价地图，遇到障碍物可以重新进行局部规划路径绕开障碍物。其中，进行自主避障并不是遇到障碍物或行人，停止前进，等待障碍物移开或者行人离开。

S13、在基于cartographerSLAM建图完成之后，保存地图到相应的map文件夹中，会有图片格式的.pgm和配置文件.yaml格式的文件且文件名相同。

在本实施例中，所述步骤二具体包括：

S21、在ROS平台使用roslaunch指令运行导航相关的launch文件，启动导航节点，打开ROS提供的的可视化工具Rviz，地图话题便可显示地图。使用set pose工具可以手动矫正机器人初始位姿。其中，药箱自动开启由下位机控制舵机转动一定的角度来完成。机械臂的抓药、放药动作也由下位机控制四个舵机，包括旋转平台舵机、机械臂关节舵机和机械爪舵机来实现。

S22、在程序中设定好机器人在目标点的位姿，运行该导航程序节点，机器人会规划出全局路径并自动导航到目标点。期间遇到地图中没有的障碍物或行人，会建立起局部代价地图，规划出局部路径，自主避障，继续导航到目标点。

在上述步骤三的具体实现方式中，上位机接收到的某编号病床发送的信息，可由三种工作模式发出：

1、指令送药模式：通过编写Linux系统的脚本文件，并赋予其执行权限。执行指令送药模式地脚本文件之后，值班护士可手动发送病床编号信息给上位机，上位机运行相应导航程序，控制移动机器人去往相应病床送药巡诊。

2、定时送药模式：运行定时送药模式地脚本文件，定时有序地执行导航程序，控制移动机器人在设定时间内给相应病床送药看诊。

3、按需送药模式：运行按需送药模式的脚本文件，病人可手动发送自己所在病床的信息给终端控制器，这时候运行相应的导航程序控制移动机器人去往该病床送药问诊。其中，机器人的回归，当机械臂完成一套动作之后，如果病人一切正场，下位机通过串口通信发送送药巡诊完成信号给上位机，上位机将值班区的目标点发送给下位机，控制机器人自动返航。

在步骤三中：S31、在上述S22编写的程序中，实现实时获取机器人当前的位姿反馈，这里的位姿包括机器人的位置和姿态，位置包括坐标x、y和z，姿态使用四元数x、y、z和w来表示。在二维平面中，机器人只有绕Z轴旋转的角度，设为Θ，其中Θ为零的时候，机器人的朝向为建图起点时朝向，逆时针旋转，Θ为正，顺时针旋转，Θ为负。四元数与角度之间的换算关系由以下公式得到：x＝y＝0,z＝cos(Θ/2),w＝sin(Θ/2)。

S32、在上述S24编写的程序中，实现实时计算机器人目标点A(x1,y1)与当前位置B(x2,y2)之间的距离，通过公式得到：

在本实施例中，如图3所示，所述步骤四具体包括：

S41、在S31与S32的基础上，机器人接收到目标点信息，前往目标点的导航的过程中，实时反馈当前的位姿信息，实时计算目标点与当前位置之间的距离，当距离小于设定值时，上位机通过USB串口通信发送控制位指令给下位机，告诉下位机已经到达目标点，可以执行机械臂的动作了。

S42、下位机根据扫描条形码或二维码得到的病人信息，输出PWM波驱动药箱舵机转动一定角度自动开启对应药箱。下位机输出四路PWM波驱动四个舵机转动一定角度，执行四自由度动作完成抓药放药动作，并通过扬声器语音播报提醒病人按时取药用药。

S43、病人通过生命体征测量仪器测量体温、血压、心率等，显示在显示屏上，并反馈数据给控制器终端，以便医护人员随时调用查看。

在现有方案中，依然少有基于SLAM技术的医疗服务机器人。比如一种基于语音交互功能的医疗服务机器人，通过键盘或语音命令实现机器人后退、左转、右转、避障等功能。场景中模拟了1、2、3号病床，并在地板画上连接各个病床的白线以便机器人循迹前进，到达分叉路口，机器人执行左转、右转指令，在前进过程中遇到前方有障碍物或者行人时，停止前进，直到障碍物移开或者行人离开，机器人继续前进。

而在本实施例中，采用同步定位于建图技术(即SLAM技术)，在病房中建好地图后，运行导航，设定目标点，便可自动导航、自主避障，这里的避障并不是停下等待障碍物移开或者行人离开，而是重新规划路径绕过障碍物。采用这种技术，鲁棒性更好，当病房中病床等物体位置发生变化后，只需重新建图便可投入使用。

本实施例与现有智能巡诊机器人的不同在于：现有智能巡诊机器人只是控制储药箱打开，让病人自行取药，而本实施例则是可以根据病人信息，抓取相应药品放在相应位置。其次，现有智能巡诊机器人在看诊方面，需要病人佩戴测量仪器，本发明提供一种用机械臂抓取病人手臂，用安装在机械爪上的生命体征测量仪器采取病人信息，并反馈给控制终端。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种智能巡诊机器人，其特征在于，包括：

机器人底盘(1)中安装有电源(5)和驱动电机(2)，电源(5)用于为所述智能巡诊机器人中的部件供电，驱动电机(2)和转向舵机(3)连接电源(5)，转向舵机(3)用于控制车轮(4)的方向；

机器人底盘(1)的上表面还安装有作业平台，在所述作业平台上安装有摄像头(10)、药箱舵机(13)和药箱(14)，药箱舵机(13)用于驱动药箱(14)的盖子的开合；

机械臂(11)通过旋转平台(17)安装在所述作业平台上，机械臂(11)的作业端为机械爪(18)，机械爪(18)的指节上安装有生命体征测量仪器(15)。

2.根据权利要求1所述的智能巡诊机器人，其特征在于，机器人底盘(1)的上表面安装有上位机(7)、下位机(8)和激光雷达(9)；

机器人底盘(1)的上表面固定安装有四根支柱，所述四根支柱上固定安装有亚克力板作为所述作业平台，在所述作业平台上还安装有显示屏(16)；

电源(5)通过电线分别连接上位机(7)、下位机(8)、生命体征测量仪器(15)和显示屏(16)和扬声器(19)。

3.根据权利要求2所述的智能巡诊机器人，其特征在于，机械爪(18)分为至少三段指节；

第一段指节上粘贴有橡胶防滑头，用于抓取药品；

中间段指节为弧形结构，并且在所述中间段指节上安装有生命体征测量仪器(15)；

第三段指节通过机械臂舵机(12)连接机械臂(11)。

4.根据权利要求3所述的智能巡诊机器人，其特征在于，所述第三段指节连接的机械臂舵机(12)的外壳上，开设有消毒喷口(20)，消毒喷口(20)通过连接输液软管连接消毒液瓶；

其中，消毒喷口(20)采用雾化喷口，吸水泵设置在所述消毒液瓶的瓶口与所述输液软管的连接处，或者，设置在消毒喷口(20)与所述输液软管的连接处。

5.根据权利要求2所述的智能巡诊机器人，其特征在于，机器人底盘(1)内固定有一个电源(5)、两个驱动电机(2)、一个转向舵机(3)和四个车轮(4)，电机驱动器集成在下位机(8)中；

其中，所述电机驱动器用于接收下位机(8)发送的车轮转速指令，并输出PWM波给驱动电机(2)和转向舵机(3)。

6.根据权利要求2所述的智能巡诊机器人，其特征在于，下位机(8)中采用STM32作为主控芯片，所述主控芯片与上位机(7)、驱动器和舵机驱动模块相连；

药箱(14)的盖子的一条边与发药箱舵机(13)连接，下位机(8)接收上位机(7)的发送的控制指令后，输出PWM波至药箱舵机(13)，触发药箱舵机(13)转动并开启药箱(14)。

7.根据权利要求1所述的智能巡诊机器人，其特征在于，激光雷达(9)安装在机器人底盘(1)的中轴线并朝向机器人底盘(1)的前方；

激光雷达(9)的扫描范围为0.15m-12m，扫描角度为0°-360°。

8.根据权利要求1所述的智能巡诊机器人，其特征在于，激光雷达(9)和摄像头(10)都通过USB线(6)连接到上位机(7)；

上位机(7)与激光雷达(9)、摄像头(10)、生命体征测量仪器(15)和显示屏(16)相连，并通过WIFI通信模块与护士站的终端控制系统相连。

9.根据权利要求1所述的智能巡诊机器人，其特征在于，采用树莓派作为上位机(7)，其中烧录了ubuntu操作系统，并安装了ROS机器人操作系统；

上位机(7)中存储并运行SLAM算法，建立室内电子地图并保存。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的智能巡诊机器人，其特征在于，所述智能巡诊机器人的驱动方法包括：

步骤一、上位机(7)运行SLAM算法并启动建图节点，所述智能巡诊机器人在室内空间巡游并建立室内地图；

步骤二：根据所述室内地图生成巡诊路线，加载所述巡诊路线并启动所述智能巡诊机器人的导航程序；

步骤三：下位机(8)接收上位机(7)发送的目标点抵达信号，启动摄像头(10)进行扫码获取被巡诊对象的信息，并根据所述被巡诊对象的信息确定所开启的药箱编号，再根据所获取的药箱编号触发机械臂(11)抓取所述药箱编号所标记的药箱中的药品，其中，在所述作业平台上安装有至少一套药箱舵机(13)和药箱(14)；

步骤四：机械爪(18)抓取所述被巡诊对象的手臂，并通过指节上安装的生命体征测量仪器(15)检测所述被巡诊对象的生命体征。

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