一种基于路径规划智慧医疗辅助机器人的设计与分析.pdf

昭 通 学 院 学 报第 45 卷 第 5 期Vol.45 No.5Journal of Zhaotong University2023 年 10 月Oct.202342物理 地理研究一种基于路径规划智慧医疗辅助机器人的设计与分析单长吉，刘剑，范宇，王尧（昭通学院 物理与信息工程学院，云南 昭通 657000）摘要：智慧医疗是智慧城市战略规划中一项重要的民生领域应用，随着国家加大对智慧医疗各领域的支持力度，推进智慧医疗体系建设，给智慧医疗机器人行业带来了新的发展机遇。为了适应新时代的发展和中国人口老龄化加剧现状，本文设计了一种基于 STM51 单片机的智能医疗辅助机器人，该机器人以 STM51单片机为核心，多传感器相互融合而成，采用轮式驱动。该智慧医疗辅助机器人基于路径规划技术，利用北斗定位，可以实现自动测温，血压检测，配发药品及单据，医患可视化联通等功能。利用 MATLAB 对该系统的路径规划进行仿真分析，结果表明：该智慧医疗辅助机器人响应快，稳定性强，能够很好地实现预设功能，从而为推动医疗信息化的发展提供了一定的理论参考。关键词：智慧医疗；医疗辅助机器人；路径规划；仿真分析中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：2095-7408（2023）05-0042-08 0 引言随着医疗技术和数字化健康的发展，智慧医疗已经成为医疗领域的一个重要方向。近年来，中国医疗机器人行业受到国家的高度重视和产业政策的重点支持，国家陆续出台了多项政策，鼓励医疗机器人行业发展与创新，关于面向医疗领域征集机器人典型应用场景的函“十四五”智能制造发展规划医疗装备产业发展规划（2021-2025 年）等产业政策为医疗机器人行业的发展提供了明确、广阔的市场前景，为企业提供了良好的生产经营环境。随着人工智能的快速发展、技术的突破及应用领域的逐渐广泛化，医疗行业的发展备受关注。医疗机器人作为人工智能时代在医疗领域应用的深化，能够有效地帮助医生进行一系列的医疗诊断和辅助治疗，从而有效地缓解医疗资源紧张状况，并且推动医疗信息化的发展。1 中国智慧医疗数据分析近几年，我国智慧医疗快速发展，行业投资规模不断扩大。2020 年，中国智慧医疗投资规模已突破千亿元大关，2017-2020 年的年均复合增长率达 23.86%。未来我国智慧医疗将进入智能化、高效化、规模化发展高速增长期，预计 2023 年投资规模将达到1896亿元（数据来源：国家统计局），如图 1 所示。图1 2017-2023年中国智慧医疗行业投资规模预测趋势图随着多项医疗卫生信息化政策的出台以及新医改的不断深入，中国相关政府部门积极响应智慧医院及智慧医疗的建设和投入，从新技术应用、政策鼓励等多个方面推动医疗手段信息化、医疗技术智能化以解决当前所面临的各种医疗问题，收稿日期：2023-04-05基金项目：教育部产学合作协同育人项目（202102046039）。作者简介：单长吉（1979），男，吉林省吉林市人，教授，硕士，硕士研究生导师，主要从事液压系统设计、可视化仿真研究。43第 5 期一种基于路径规划智慧医疗辅助机器人的设计与分析单长吉，刘剑，范宇，等并对智慧医疗建设提出了更高的要求，同时社会现状对医疗卫生服务提出新需求，如城镇化的推进在一定程度上产生了城乡医疗水平的不均衡的状况，城市医院寻求更加便捷、高效的智慧化手段缓解日益增大的就诊压力；老龄化加剧、慢性病健康管理等问题，使得当下医院迫切需要寻找转变运营方式，不断探索医疗智慧化转型。物联网、大数据、云计算、人工智能、传感技术的发展使辅助决策、辅助医疗手段成为可能。在诊前、诊中、诊后以及医疗支持等各个环节，对患者就医及医院服务流程进行简化，也使得医疗信息在患者、医疗设备、医院信息系统和医护人员间流动共享，极大地提高了医疗工作效率。同时，新技术的不断发展也在客观上为其深化应用提供了更丰富的可能性。2 医疗辅助机器人行业发展现状2.1 医疗辅助机器人的优势医疗辅助机器人是集医学、计算机科学、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，是当前国内外机器人领域的一个研究热点。智慧医疗辅助机器人具有减少误差、更具安全性、可以起到降低人力资源的作用，而且机器程序可以设定，耐心、细心以及生理疲惫等方面相比传统医护人员来说具备很大优势1。2.2 医疗服务机器人市场规模近年来，我国明确提出要发展“医用机器人等高性能诊疗设备”，医疗服务机器人呈现快速增长态势，如图 2 所示。图 2 2017-2022 年中国医疗机器人市场规模图由图 2 可知：2020 年我国医疗服务机器人市场规模达 59.4 亿元，2021 年市场规模可达 79.6 亿元，2022 年进一步达到 97.1 亿元。目前，数字化、智能化成为智能医疗机器人重要发展方向，随着教育部产学研合作的逐步深入，智能医疗机器人技术研发进展不断加快，产品将向更多应用场景延伸。2.3 医疗机器人未来发展趋势我国人口老龄化提前进入快速发展期，据国家统计局数据显示，预计到 2050 年我国老年人口规模将会达到 5 亿，如图 3 所示。图 3 2016-2021 年中国 60 岁以上人口数量及占比统计图由图 3 可知：面对如此庞大的老龄人口数量，“养老难”成为我国面对且亟待处理的社会问题。目前医疗机器人已成为智慧养老模式下的首选养老设备，在人工智能时代下，康复机器人、手术机器人、外骨骼机器人、医疗服务机器人等都将得到更普遍地应用。3 智慧医疗辅助机器人设计目的为了解决医院人力短缺，有效地缓解医疗资源紧张的问题，本文设计的智慧医疗辅助机器人深入贯彻了国家对智慧医疗发展支持，旨在实现帮助病人测量体温、血压、心率、分发药品、实现医患可视化联通等功能。医疗辅助机器人可以快速准确地完成一些简单的任务，如收集患者健康信息，缩短患者等待时间，提高服务质量。智慧医疗辅助机器人可以提供一致的、标准的服务，避免因人工因素导致的误差，提高客户满意度。智慧医疗辅助机器人可以为患者提供方便快捷的服务，智慧医疗技术可以通过数据分析和研究来改善医疗质量，并使医疗更加标准化和科学化。总之，智慧医疗辅助机器人作为人工智能时代在医疗领域应用的深化，能够有效地帮助医生进行一系列的医疗诊断和辅助治疗，并推动医疗信息化的发展。44第 45 卷昭 通 学 院 学 报2023 年（总第 210 期）4 智慧医疗辅助机器人系统设计该智慧医疗辅助机器人采用轮式驱动，多个传感器相互融合组成。它采用四轮结构，包括两个独立驱动的后轮，和两个转向的前轮。这种移动结构采用后轮差速控制的方法，转弯灵活，并且具有实际的稳定性，该机器人外观设计图如图 4所示。本文根据智慧医疗辅助机器人的结构特点和运动特性，建立了其在不同视角的视图，通过该机器人的不同视图可以很好观察该机器人的结构、特点、特性等。智慧医疗辅助机器人的 CAD 配装图如图 5 所示。图 4 智慧医疗辅助机器人外观设计图图 5 智慧医疗辅助机器人 CAD 配装图在按路径规划行驶到指定位置时，超声波避障、红外边缘检测和红外巡线与定位传感器共同作用，完成指定任务。当到达指定病人身边时红外测温传感器与血压测量传感器实时作用并进行播报与交流，语音互动模块调动大数据云端，将相关指令反馈给中心控制器进行播报。多传感器工作互相配合，共同控制完成相应活动，实现其功能。完成任务后，等待医生办公室发布指令前往下一个病房，若无指令则机器人返回医生办公室2，具体控制块结构如图 6 所示3。图 6 智慧医疗辅助机器人控制块结构设计框图4.1 智慧医疗机器人工作原理本机器人采用轮式驱动、蓝牙遥控、超声波避障、红外边缘检测和红外巡线等功能，为了能实现最基本的避障功能，需要为机器人配备有相应传感器4。使用的传感器为 HC-SR04 超声波测距模块和红外光电避障模块，其中红外光电避障模块具有一对红外线发射与接收管，运行时发射管会发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物后，红外线会反射回来被接收管接收，经摄像头51 单片机语音识别万象机舵手LED89C51WC9S120G28C8051F340超声波转向机、电机45第 5 期一种基于路径规划智慧医疗辅助机器人的设计与分析过比较电路处理之后，信号输出接口会输出一个低电平信号，这样只要在程序中对该接口的电平进行判断便能得知机器人是否距离障碍物比较近。与红外光电避障模块的工作原理类似，超声波模块能够向空中发射超声波信号，当其检测到反射回来的信号后，只需将超声波从发射到接收所用的时间乘上声速再除以 2 便能得到机器人和障碍物之间的距离，从而为之后的机器人避障做好准备，如图 7 所示为智慧医疗辅助机器人总体设计示意图。图 7 智慧医疗辅助机器人总体设计示意图该机器人采用多传感器融合，相互贯通的设计理念，具体有红外温度传感器，血压传感器等，利用大数据云端及无线对讲原理实现人机交互和医患可视化联通5。以红外检测体温为例，其红外测温工作流程如图 8 所示。图 8 智慧医疗辅助机器人红外测温工作流程图当机器人行驶至指定病房的病人身边进行非接触式测温和测量血压。测温测压后机器人会询问用户需求并反馈到医生的电脑或手机端。医生可以选择以视频和语音直接与用户交流或以文本形式将答案反馈给机器人，机器人将显示并朗读内容6。当机器人送药时，机器人会在医生办公室中把各个病人的药物分类放入消毒仓内，送至指定病人手中，当机器人电量过低时，若机器人正在工作中，会将工作转接至其余空闲机器人然后返回充电，若机器人处于空闲，则直接返回。4.2 医患可视化联通模块在机器人的头部运用远程视频，在机器人到达病房时，病人有任何其他需求，机器人可立刻接线护士站医生，当没有响应时，机器人自动前往护士站与医护人员取得联系。同时通过机器人的大屏将病人此时的体征信息（体温、血压、用药情况等）传达给医生。医生通过机器人提供的信息对病人健康情况进行诊断。4.3 红外测温功能红外测温仪主要采用新型无接触式红外体温温度测量，红外线光学测温仪由红外光学测温系统、红外射线探测器、电信号图像处理器、温度变化指示器及其它附属激光瞄准器等部分构成。患者的温度会由服务器实时上传云端并由后台医护人员实时监测得到体温变化曲线，从而对患者做出下一步治疗的准确判断。基于物体从外表面发射红外线，温度传感器接收这些红外线从而获单长吉，刘剑，范宇，等46第 45 卷昭 通 学 院 学 报2023 年（总第 210 期）得物体温度值数据及温度变化曲线。若温度正常（低于 37.3，高于 36），则循环该过程；若体温异常（高于 37.3或低于 36），数据反馈至单片机调动播报器进行播报，完成警报任务7。4.4 血压测量功能血压测量主要采用有创血压测量，有创血压测量是血压的直接测量,它直接刺入人体和血液接触,通过有创血压传感器测量出血压压力信号,能直接反映血液的压力,所受外界干扰较小。有创血压测量采用 TE Connectivity(TE)的 1620 和 1630 系列压力传感器，其是一款全压阻式硅压力传感器，适用于有创血压监测。此传感器设计可直接装入一次性血压计的外壳内，传感器周身涂有电介质绝缘胶以确保电路和液体隔离。5 智慧医疗辅助机器人工作特性分析智慧医疗辅助机器人能够在医院复杂环境中按规定路线行驶，同时其采用人机交互和智能控制，能有效协助医务人员应对紧急情况。机器人拥有完善的路径规划系统，不受工作环境的限制。智慧医疗辅助机器人能够长时间进行高精度，高强度的工作，为应对医院内部不同的环境，对机器人采取了两种方式的路径规划，即利用 A*算法与 D*算法相结合8，同时利用 MATLAB 软件进行仿真分析，规划出机器人在模拟栅格地图上最优路径，直观地模拟出机器人按动态与静态行驶的相对路径。5.1 静态路径规划(A算法)特性分析A*算法常用在基于栅格地图的静态路径规划下的算法中。该算法在自动寻路时会尽可能地往目标点移动，A*算法通常只需要寻找一部分栅格地图空间就可以到达目的地，因此搜索时间比遗传算法要短得多。A*算法是最短路径启发式的搜索算法，也是目前使用较多的一种启发式路径搜索算法。主要通过估计函数调整搜索方向，使搜索更有目的性。但传统*算法在路径规划中存在遍历节点数过多、路径拐点较多、行驶方向过多的问题，因此本文提出一种路径规划改进的 A*算法，对 A*算法进行改进，以满足医院环境的需求。引入估计函数 1（欧氏距离）：（1）由估计函数 1，可以证明，在起点距离相等的中间节点集合里，与终点直距距离越小的节点，方向夹角越小。现假设有 A*算法模拟地图如图 9 所示。图 9 机器人路径模拟地图在图中求 S 点到 G 点的最短路径。由图 9 可知，与 S 最近的节点是节点 2，与 G 最近的是节点 11 的路径。定义表示从节点 2 到节点的有向线段，表示有向线段 ij 和有向线段 ab的夹角。由于：（2）因此选择节点 3，而与节点 3 连接的节点是节点 4 和节点 7。（3）假设起点 S 的坐标，终点 G 的坐标（GX，GY)，中间点 N 的坐标（NX，NY）,估计函数取“欧几里得距离”表示为：（4）由于估计函数 1 的计算量很大，因此引入估计函数 2（曼哈顿距离）：（5）考虑将两点之间的距离作为估计函数，其中A 点的经纬度为（AX，AY），B 点的经纬度是（BX，BY），则 A，B 之间的 Manhattan 距离可以表示为：（6）其中：（7）由于是常数，可以简化为：（8）通过 MATLAB 软件进行仿真分析，仿真结果表明：将改进的 A*算法应用于智慧医疗辅助机器47第 5 期一种基于路径规划智慧医疗辅助机器人的设计与分析人路径规划，有效地减少了遍历节点数量，减少了路径的拐点，实现了在医院室内环境中从起始点到目标点的移动和动态避障，其仿真分析如图10 所示。图 10 静态路径规划图由图 10 可知，改进 A*算法适用于夜间或医院人流较少时，机器人按照已规划的路线，从医生办公室出发前往指定的病房和床位为病人进行基本生命体征的检查。通过改进和完善后的 A*算法，当紧急情况发生，机器人可临时改变路线即改变原有的固定路线，紧急前往指定位置对病人进行体征检测并传到控制中心。4.2 动态路径规划（D算法）特性分析动态路径规划（D*算法）对于机器人来说就是控制机器人运动时，根据机器人的角速度和直线速度，预测出未来轨迹。A*算法与 D*算法的区别是：虽然都生成了轨迹，但是 A*算法是直接生成轨迹，而 D*算法是用动作生成轨迹，D*算法的控制器输出为直接角速度和直线加速度，控制器要做的工作就是轨迹跟踪。（9）（10）为了使机器人达到合理的速度，机器人在运动时有两个限制：第一个限制：机器人按一定速度行驶时，最大减速度停靠不能撞到最近的障碍物。第二个限制：加速度限制，机器人运动状态下，加速度变化都是有上下限的，因此下一时刻的状态也是有上下限的。动态路径规划不固定机器人的路线，机器人在行进中自动规划路线，在最短的时间内为病人输送所需的药物。在帮助医务人员及时了解病人身体状况的同时，加强了医生与病人间的联系。机器人的最终目标：前进方向对准目标点，不发生任何碰撞、路径最短、速度最快。通过MATLAB 进行仿真分析，得到的动态路径规划图如图 11 所示10。图 11 动态路径规划图单长吉，刘剑，范宇，等48第 45 卷昭 通 学 院 学 报2023 年（总第 210 期）从图 11 可以看出：通过将 A*算法路径规划与 D*算法路径规划相结合，让机器人能够在最短的时间里高效地完成医疗辅助任务。特别是在一些传染病病房及重症病房，利用智能机器人对病人体征进行常态化检测，在保护医护人员的同时，协助医务人员完成对病人的常规检测11。4.3 机器人稳定性时间分析稳定性是智慧医疗辅助系统衡量的重要指标，因此本文对智慧医疗辅助机器人的稳定性进行了分析，建立模拟栅格地图，如图 12 所示。图 12 改进 A*算法机器人路径图利用 MATLAB 软件编程，结合改进 A*路径规划算法和改进 D*路径规划算法，规划出机器人在模拟栅格地图上最优路径，并计算其时间，得出机器人从出发点 0 点分别到达 1，2，3 点所需时间为如图 13、14、15 所示。图 13 机器人到达 1 点的反应时间图 14 机器人到达 2 点的反应时间图 15 机器人到达 3 点的反应时间由图 13、图 14、图 15 可知：最优路径规划时间在 8.0 秒以内，机器人运行反应时间短，响应快，运行稳定性强。由以上分析可知，智慧医疗辅助机器人可以有效地帮助医生在最短的时间里了解病人的体征状况，可以很好地完成医疗辅助12。5 结论（1）该智慧医疗辅助机器人通过 STM51 单片机，多传感器，北斗定位及全面的路径规划等先进技术，利用 MATLAB 对该系统的路径规划进行仿真分析（A*算法、D*算法），结果表明：该智慧医疗辅助机器人响应快，稳定性强，能够很好地实现预设功能，能够独立地完成对病人的基本生命体征检测，推动医疗信息化的发展，有效解决医院人力短缺、医疗资源紧张的问题。从而为推动医疗信息化的发展提供了一定的理论参考。（2）智慧医疗辅助机器人是一种有前景的技术，它在提高医院的效率和服务质量的同时，也需要对其带来的风险进行充分评估和管理，从而促进智慧医疗服务科学健康发展。49第 5 期一种基于路径规划智慧医疗辅助机器人的设计与分析参考文献：1 孙景慧.医疗转运机器人路径规划及其手臂轨迹规划 D.大连:大连理工大学,2020.2 于波,张强,李建成,等.基于单片机的智能小车系统 J.化工自动化及仪表,2022,49(03):345-350+361.3 冼进.基于 STM32 的教学智能小车设计与试验 J.微型电脑应用,2022,38(09):152-155.4 洪一民,钱庆丰,章志飞.基于 STM32 的智能小车循迹避障测距的设计 J.物联网技术,2022,12(01):12-13+17.5 曾尧.基于 STM32 的智能小车循迹优化设计 J.机械工程师,2022,367(01):25-27.6 袁方,马瑞霞,任海玲,等.智能导诊机器人的设计与实现 J.数字技术与应用,2021,39(11):176-180.7 Vctor E Muoz.Sensors Technology for Medical RoboticsJ.Sensors,2022(22).8 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adapt to the development of the new era and the situation of Chinas aging population,this paper designs a kind of intelligent medical assistance robot based on STM51 micro-controller.The robot is based on STM51 single-chip microcomputer,multi-sensor fusion and driven by wheels.Based on path planning technology and Beidou positioning,the robot can automatically measure temperature,detect blood pressure,dispense medicine and bills,and visually connect doctors and patients.The path planning of the system is simulated by MATLAB.The results show that the intelligent medical assistant robot has fast response,strong stability and can realize the preset function.It provides a certain theoretical reference for promoting the development of medical information.Key words:smart healthcare;medically assisted robots;path planning;simulation analysis单长吉，刘剑，范宇，等