智能導診服務機器人的設計與實現

陳曦+楊雅慧+趙嘉麒+吳亞聯

摘 要：基于目前醫療服務的需求，文中設計了一款用于醫院智能導診服務的機器人。該機器人融合了STM32硬件平臺、傳感器應用、圖形界面設計、路線規劃等技術，可實現就診流程導診、科室路線指引以及常規心率體溫數據的測量等。文章從系統功能設計、硬件模塊搭建、系統軟件實現、創新點等方面，詳細描述了整體的設計方案和開發過程。實驗和使用表明，該智能導診服務機器人界面顯示清晰，工作運行穩定，可滿足人們就醫過程中的服務需求。

關鍵詞：服務機器人；流程導診；路線指引；人機交互

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-04

0 引 言

在《中國制造2025》規劃中[1]，機器人與高檔數控機床被列為政府需大力推動實現突破發展的十大重點領域。人工智能程度的不斷加深和人民生活水平的不斷提高，使人們對醫療服務的要求由量變轉為質變，因此醫療服務機器人市場前景廣闊[2]。

目前在大型綜合性醫院，由于專業分工精細，一個診療過程所涉及的功能單元往往分布在不同樓宇、不同樓層的不同位置。由于醫院功能單元布局有調整、患者對醫院環境不熟悉，導致滯院時間較長、診療效率降低，患者滿意度下降。醫院雖積極設立導診崗位、建立多媒體導診系統等，但仍存在與患者溝通困難，獲取信息速度較慢、眾多導診崗位需增大人力資源成本等問題。

現如今，借助現代機器人科技打造的智慧醫療，是解決目前醫院就診問題的一大趨勢。本文主要闡述了智能導診服務機器人[3]的設計方法與實現過程，在STM32平臺[4]上通過硬件傳感器模塊[5]，與系統軟件相結合，實現智能導診、智能指引[6]等服務功能，為改善醫療環境提供思路。

1 系統功能分析與總體設計

1.1 系統功能分析

我們初步設計了一款用于醫院智能導診的服務型機器人。主要實現以下功能：

（1）智能導診：顯示不同患病類型的就診流程及相應的就診科室，對患者進行指引；

（2）智能指引：患者輸入去往的科室即可顯示目的地位置及對應的樓層平面圖，確認由機器人帶領后，可實現機器人路線指引；

（3）常規檢查：接觸式傳感器，智能化檢測人體心率血氧、體溫等基礎數據；

（4）娛樂放松：機器人外設顯示屏可顯示多種動態表情，仿佛機器人具有人的情感，同時機器人可進行語音識別，對問題進行簡單回答，或播放音樂、笑話等；

（5）預約掛號：可自主預約就診時間及專家等，簡化掛號流程。

1.2 系統功能設計框圖

結合醫療導診服務的需求分析，本智能導診服務機器人的核心由STM32微處理器、心率血氧傳感器、語音識別模塊等傳感器共同組成。其中，STM32微處理器對各傳感器收集到的數據[7]進行處理，控制各模塊正常運作。通過接觸體溫測量傳感器和心率血氧傳感器模塊獲得體溫和心率血氧數據。舵機用于機器人的輪子驅動，保證機器人正常行走。驅動模塊用于確保直流電壓下的工作電壓、電流穩定。娛樂放松功能主要由語音識別模塊、語音播放模塊、7寸液晶串口屏等構成。語音識別模塊收集外界語音信息，將詞匯轉換成計算機可讀輸入，通過語音播放模塊輸出相應的回答語句。7寸串口屏顯示導診機器人的動態表情，使機器人更加人性化、智能化。

系統總體設計框圖如圖1所示。

2 硬件模塊設計與實現

2.1 體溫測量模塊

體溫傳感器是能感受體溫并轉換成可用輸出信號的傳感器，通過使用者接觸該傳感器獲取人體體溫，利用溫度傳感器輸出電信號，再將電流信號發送給STM32控制器進行處理。我們使用DS18B20溫度傳感器，該傳感器是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，能夠直接讀出被測溫度并可根據實際要求通過簡單編程實現9～12位的數字值讀數方式。

電路原理如圖2所示。

2.2 心率血氧測量模塊

心率血氧傳感器模塊利用特定波長紅外線對血管末端血液微循環產生的血液容積變化敏感的特性，檢測由心臟跳動引起的指尖血液變化，經過信號放大、調整等電路處理。其中SON1303輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計算脈率，SON7015輸出反映指尖血容積變化的完整脈搏波電壓信號，將測量的心率血氧數據發給STM32處理器進行處理。我們采用MAX30102心率血氧模塊，便于基礎數據測量。

電路原理如圖3所示。

2.3 語音識別模塊

語音識別模塊是一種基于嵌入式語音識別技術[8]的模塊，可通過串口輸出識別結果，主要包括語音識別芯片和一些其他附屬電路，能夠方便地與主控芯片通信，實現語音交互。

本系統采用了ICRoute公司生產的LD3320語音控制芯片來實現語音的簡單識別。該模塊利用非特定人語音識別技術，用戶無需進行錄音訓練；具有可動態編輯的識別關鍵詞列表，只需把識別的關鍵詞以字符串的形式傳送進芯片，即可在下次識別中立即生效；支持用戶自由編輯50條關鍵詞，在同一時刻，可在50條關鍵詞中進行識別，終端用戶可根據場景需要，隨時編輯和更新這50條關鍵詞的內容。電路原理如圖4所示。

2.4 語音播放模塊

本模塊使用LM102語音播放模塊，該模塊具備兩組接口，支持音響功放連接，價格低廉，工作穩定。

其電路原理如圖5所示。

2.5 運動控制模塊

本模塊主要通過微處理器輸出的PWM波控制舵機的信號線實現機器人的運動控制[9]。舵機信號線接收來自主控板的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計相連，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而使目標停止。在該系統中，舵機驅動輪子轉動，驅使機器人正常行走。endprint

3 系統軟件設計與實現

3.1 初始化界面設計

本作品顯示界面（串口屏）主要負責顯示服務信息和接收來自核心處理器STM32傳輸的數據。首先進行界面初始化，受到信號觸發進入顯示界面，顯示子界面分別為智能導診、智能指引、常規檢查、預約掛號。該部分程序的實現基于C編程來完成。

其整體設計和基本算法的架構流程如圖6所示。

3.2 串口屏各功能界面設計

3.2.1 智能導診

此功能提供智能化導診服務，界面顯示不同患病類型的就診流程及相應就診科室，對患者進行指引，幫助患者了解病癥和就醫步驟，極大地減少了就診時間，其整體設計流程如圖7所示。

3.2.2 智能指引

此功能可為患者提供診室的位置信息，機器人自動指引路線[10]。界面有“是否需要指引？”選項，使用者可以根據自身需求進行選擇，可同時選擇不同科室，界面上會展示不同科室對應的樓層平面圖，便于使用者找到對應科室的位置，其整體設計的架構流程如圖8所示。

3.2.3 常規檢查

此選項提供醫院所需最簡單的常規檢查流程，以減少病患排隊等待時間。使用者通過接觸機器人頭部的體溫傳感器和心率血氧傳感器，智能化測量體溫和心率血氧數據，界面將會顯示測試結果并對異常情況進行分析。其整體設計架構流程如圖9所示。

3.2.4 預約掛號

此功能提供了預約掛號服務，使用者可直接選擇預約掛號選項，對就診時間、就診類型、就診專家等進行自主選擇和填寫，填寫成功后可直接顯示預約成功，其整體設計的架構流程如圖10所示。

4 創新點

4.1 智能化

使用者通過接觸體溫和心率血氧傳感器即可收集相應測量數據并顯示在屏幕上，對異常數據進行分析，代替人力測量，可大大節約時間。同時整個系統有多種傳感器協同工作，及時收集有用信息提交給微處理器進行處理分析。

4.2 交互性

串口屏可顯示豐富的動態表情，使導診機器人更加人性化，交互系統的語音識別模塊和語音播放模塊可對使用者提出的問題進行簡單回答，并通過播放音樂、笑話等安撫使用者，減弱其消極的情緒。

4.3 自主度

使用者可通過串口屏進行自主選擇，查詢就診科室、病房位置、就診流程及路線信息等，信息查詢和預約掛號一體化，自主度高，獲取信息方式靈活、快捷。

5 結 語

本文完成了智能導診服務機器人的系統設計，以STM32微處理器為核心，硬件傳感器模塊和系統軟件設計相結合，成功實現了智能導診、智能指引、常規檢查、預約掛號等功能。并且經過多次調試，機器人工作穩定，可有效解決病患在就醫過程中滯院時間長、尋找科室難等問題，較大程度改善了醫院的服務環境，方便人們就醫，是醫院服務領域一項重要的改革。作品實物如圖11所示。

隨著人工智能在社會的不斷應用，相信導診服務機器人在醫療領域會有更好地推廣。

參考文獻

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