关于大家一直比较关注的项目实战来啦!可能近2-4个月会进行该实战项目连载,本篇会大致讲解设计背景和思路。

一.设计思路背景简述

  本款机器人设计是针对慢性病患者长期吃药所研发的智能机器人,长期吃药的患者容易形成服药依从度降低,不按医嘱吃药等,还有社会面临逐渐老龄化,针对老年患者可能出现的记忆力衰退,容易重复吃药或者忘记吃药、吃错药等一系列状况......对此,针对以上种种问题,自主研究设计了此款智能机器人;有吃药提醒功能,能让患者按时吃药,不耽误病情;有智能配药功能,提前设置好用药量,吃药时无需操作,自动配药;药后实时记录存档功能,健康状况更清晰,医生诊断好判断。在实现了以上基础功能后,我给机器人实现了语音交互功能并内置GSM电话拨打模块,在陪伴使用者的同时,能够在使用者突发疾病 时,通过语音交互快捷拨打120急救电话,并发送地址信息(此功能灵感来源于2022年5月17日的河南大学“120事件”);机器人底盘采用了履带式底盘,使其能够灵活移动,通过声源定位和激光雷达实现路径规划,在使用者或患者突发一系列疾病症状时,能将必需药物第一时间送至使用者手中(如使用者患有心脏类疾病急需速效救心丸,该机器人能够在得到需求后第一时间送至患者手中,节省了使用者翻找等时间,达到第一时间得到救治);该机器人也能够实时监测剩余药量,在药量不足时,能够通过互联网通过使用者需求自主购药(使用者需确定是否购药并支付),与此同时我们为机器人建立了一个药品数据库,,能够扫描识别药品盒上的条形码,检测药品是否为假冒伪劣产品;机器人拥有多个药品仓,通过深度学习等技术识别药盒信息,便可以自动分配药品仓,也可以通过人机交互界面对药品仓进行自定义设置。设计的本款智能机器人从慢性病患者最为头痛的服药管理入手,最大限度的减轻患者和家属的负担,保证患者和需要服药的人群的用药安全,综上我为他命名为“智能医护管家”。

二.市场现状和发展前景

  通过资料查询和数据分析得知,下图是2004到2014年医疗服务类机器人的销售情况:

                 

                                                                                                                    图1.  2004-2014年医疗服务类机器人的销售情况图表

  目前医疗服务类机器人的市场被欧美国家占据,全国最大的10家医疗机器人企业几乎全是欧美国家的公司,其中位于世界最为领先的国家就是美国,已拥有近40家公司,这些医疗科技公司均拥有庞大的资源网络、全面的服务内容和优秀的研发团队,所以据资料分析可知中国要想在工业方面赶超欧美国家,医疗机器人也是一个重要的发展方向;随着人口老龄化日益严重和人们的生产生活水平的日渐提高,家用医疗服务机器人的需求量也不断增大,下图是2021年医疗服务机器人全球市场的份额分布情况:(可见我国只占百分之5左右,具有非常的大发展空间)

                                         

                                                                                                                     图2. 2021年医疗服务机器人全球市场的份额分布情况图

三.总体设计方案构思简述

  该机器人由机械结构、传感器、驱动部件、视觉部分、触摸屏、模块应用层及上位机系统(数据接收处理层)7个部分组成。

1.机器人的机械机构

  机器人的机械结构在驱动电机以及上位机系统的控制作用下协同配合,确定其空间的运动情况;机器人在传动结构上采用自锁装置,能够保证传动系统的安全性。

2.传感器

  由于家庭机器人的功能多而较为强大,其相应的传感器种类也比较多,主要包括视觉传感器、颜色传感器等;机器人通过不同传感器的信号在上位机系统的调控下对外界做出反应。

3.驱动部件

  驱动部件由直线电机和步进电机组成,在上位机系统的控制下驱动机器人移动;其中步进电机的步距角跟机械行走和控制动作的准确性有关;使用者将命令通过人机交互界面发送到上位机,上位机将命令分析处理,并将数据发送至下位机,由下位机控制各模块使用者发出的指令,上位机和下位机之间的数据相互传输,能够将各模块执行指令的过程同步到人机交互界面(比如:在人机交互界面上点击“取药”指令,上位机接收到使用者指令,将数据发送给下位机,下位机控制自主设计往复机构和药盘转动机构相配合,实现药品的定量吸取)。

4.模块应用层

  整个系统主要通过上位机给下位机传达指令,进而控制多个不同的模块,实现各模块功能区独立运行。

5.视觉部分

  视觉部分不仅仅运用了颜色识别传感器,这是用于检测到药品颜色并精准的辅助进行更好的配药,还运用了深度学习中的图像识别检测——YOLOv5和旭日X3派共同配合整体来完成药品和人体等各个功能的识别,识别到药品盒或包装,进行准确报名并配合控制抓取;图像处理部分和运动控制部分是整个系统的核心,与其他几个部分通过UART进行数据通信,用于给各个功能区传达指令,从而使各个部分有序的工作。

6.触摸屏

  触摸屏部分利用python的turtle库编写动画程序和pyqt5编写多个界面作为触摸屏的人机交互(如:放药和取药的选择),将此再与旭日X3派连接结合在触摸屏上显示,在其系统上进行开发和编译。

7.上位机系统(数据接收处理层)

  移动机器人需要在上位机系统内建立室内环境地图,使其在收到紧急求救信号时,能在室内自主导航避障,完成紧急送药的工作;机器人端搭载有智能药箱,由上位机系统控制自动配药、定时吃药提醒等功能,其中很值得期待和创新的是:我在此运用了2022年6月最新推出的开源硬件开发板——旭日X3派,其性能超过了目前市面上运用较为广泛的树莓派和英伟达开发板,其主要运用ROS2和TogetherROS来开发编写;此开发板搭载了地平线推出的新一代低功耗、高性能的AI处理器ARM-Cortex-A53;集成了地平线先进的伯努利2.0构架AI引擎(BPU),可提供5TOPS的等效算力;新的BPU构架极大的提升了对先进CNN网络架构的支持效果,以及极大的降低了AI运算对DDR宽带的占用率,辅以地平线天工开物AI开发平台,极大简化算法开发和部署过程;内置TCP/IP协议,电源输入5V-2A、电源输出5V1A&3.3V1A、85mm*56mm*20mm的封装体积,40个I0接口.在此作为上位机,支持Ubuntu20.04,对显示屏以及下位机发送的指令进行处理,并通过串口将数据发送至各个下位机。下图是旭日X3派开发板的实物展示图:

                                                               

                                                                    图3. 封装大小                                                                                                                                                                  图4.  接口分布

(想要了解更多关于X3派详细内容可以看我之前的两篇有关于旭日X3派的介绍和简单应用喔~,在此就不多做赘述啦。)

这次的文章就先写到这里,只是一个大体设计方案和用途及背景,接下来会慢慢更新,下一篇会针对整体机械结构部分做详细介绍。