疫情背景下送药机器人的应用研究

李宁 宋青山 李嘉豪 余耀 王磊

摘 要：智能化机器人研究是当今科研领域的热点课题，而机器人向实际应用方向发展更有其重要的现实意义与长远的研发价值。为了实现机器人的查房、送药、搬运、呼叫等功能，利用智能送药、高清液晶屏、摄像测温、导航与智能避障、语音控制、自动充电等技术，并对其软硬件实现进行了一定的描述。该医疗与服务机器人在医疗等领域具有较大的应用价值和较好的市场前景，本文介绍的机器人的构造和原理便于以后医疗与服务机器人的改进和创新。

关键词：医疗服务送药机器人;语音识别;无菌存取;寻路充電

一.智能送药机器人背景概况

1.1特殊情况下送药机器人优势

智能化机器人研究事当今科研领域的热点课题，在欧美、日本等发达国家，服务机器人产业已得到迅速发展，广泛地应用于五大领域：医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务和家庭生活服务。目前我国服务机器人尚处于起步阶段。2020年初爆发的新冠病毒疫情扩散至全球。新冠病毒以伪装性强、潜伏期长、传播途径多样、变异性等特征难以预防和控制。其中传播途径包括呼吸道飞沫传播、接触传播、消化道传播、血液传播和空气传播等。多样的传染途径和医疗废弃物的污染性极大地增加了医护人员的感染风险，医护人员的安全至关疫情扩散。工作危险增加，同时严格复杂的防护程序也增加了工作量。在医护紧缺，医疗服务效率低的情况下，送药机器人的应用和研究有效地缓解人员短缺问题。

1.2智能送药机器人基本功能

送药机器人可以执行例如送药、环境消毒等简单工作为减小医护人员感染风险，提升医院工作效率。送药机器人须能够独自安全无误地运送药品到指定病房病人处，可以携带特殊消毒装置在医院内巡航消毒。机器人的主干部分储药箱能满足药品、针剂的存储，并自动读取药箱上的标签信息，通过识别技术准确自动取药给目标，极大地保障药箱内部的安全卫生，减轻病人负担。同时自动记录运送数据，实时显示运输位置，保证药品运送全程监控，实现闭环管理。通过智能技术经医生验证开启药箱，识别病人取出药物。机器人头部具备人工智能系统，借助强大的语音识别、语义理解、自然语音合成等技术，机器人能够准确理解人类语言，并从智能知识库获取信息，通过扬声器清晰地和病人进行沟通，反馈病人的提问。智能显示屏可以协助交流，空余时用作安全宣传。摄像头内置红外成像自动测温仪可精确测量医院人员体温。系统内置导航精准识别目的地，能识别行进路线，若感应到前方有人或障碍物，可及时避障。由此，达到部分一线人力得到释放，得以更好地服务最需要的人群。底部移动结构采用麦克纳姆轮，麦克纳姆轮由小滚轮组成，可以实现机器人的自由移动。充电部分由电箱门，隔板，充电块组成，可利用隔板改变电池的放置位置。充电箱便携式充电，大容量电池充满电可以连续工作十二小时，安装电量监测系统，保障安全行进的情况下通过导航系统自动寻找充电桩充电，充电时对充电桩进行感应导航自行充电。

智能医疗服务机器人的应用不但能够提高病区消杀、药物配送等工作的效率，还可以降低工作人员长时间在病区工作而导致交叉感染风险，节约防护服等医疗紧缺物资的消耗，节省医护人员时间成本。

二.医疗机器人软硬件的实现

2.1  数字图像信息处理模板

装载机器人的视觉识别系统、语音交流系统、路径导航系统、智能屏幕显示系统、机器人程序系统。长宽高为27cm、25cm、27cm。结构由一个液晶显示屏，一个高清摄像头，两个扬声器，一个语音接收器，一个红外成像自动测温仪，导航芯片，图像处理器，语音处理器，系统主板，头部外壳等组成。摄像头导航识别模板运用AI技术和大数据技术，通过机器视觉检测系统采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸、角度，实现自动识别功能，通过大数据技术对整个过程进行纪录，例如运行时对病人、医务人员和其他工作人员进行温度的可视化的呈现，能有效的监管温度变化 。还有对病人情绪的纪录等实现数据的有效分析。摄像头实时记录机器人行进过程中的影像，检测障碍物及时避障，对病人实行面部识别达到无接触安全取药。液晶显示屏可播放防疫相关知识和时事热点新闻增加宣传力度。语音识别控制模板采用双系统语音识别一个主要链接前台医护人员的交流，减少其他干扰，确保紧急情况下安全有效，一个是用于人工互动交流。头部内置声音接收装置识别语言并可录入医生声音用以增加语音遥控功能，医生可通过语音遥控功能无接触操作机器人。文字系统处理生成答案，通过扬声器发声与人员进行亲切合理的沟通病人和机器人对话，双方可以有多轮对话，机器人也不怕被中途打断，实现完美沟通。智能显示屏可表现对话时机器人相应的表情配合病人沟通，以此达到陪伴病人的作用。通过智能交流系统，屏幕可展示沟通者需要查询的内容，显示屏工作空余时间可播放防疫常识、时事新闻等内容达到积极宣传的作用。主机系统内置导航芯片和电量监测器，精确导航送药路线，在电量低的情况下自动寻找充电座。机器人主板系统实现整体的正常运行，如图1。

2.2中心机构模块设计

通过上方舵机带动两齿轮以改变竖杆间间距，使x型伸缩结构实现伸长或缩短将药品推至中央升降平台，如图2。

为适应不同药盒规格，储药架每层高度分别为5cm、10cm、15cm、20cm。下方通过一电机带动储药架转动。其旁安装一紫外线消毒灯以保证内部的无菌环境。主体采用双层结构，减少外来微生物的污染。背面开口通过刷卡系统来控制打开人员与地点。载药平台可以实现药物的上下移动：由5个电机，1个双层转轴，3个螺旋杆，1个底盘组成，体积底面长宽50cm，高70cm。原理：底盘四个电机带动外部载药箱的选装，双层的转轴设计减少了机械之间的磨损，降低了能耗，载药圆台由的中间的电机带动三个螺杆上的螺栓转动实现上下移动，采用三角设计为载药提供稳定动力，增强了机械结构在复杂情况的运行能力。如图3。

2.3移动充电模板

移动充电部分分为底部移动和充电部分，底部移动结构采用麦克纳姆轮外围半径为：73mm，内围半径为15mm，宽为80mm，三个轮子互相间隔120°，每个麦克纳姆轮由八个小滚轮组成，机器人既可以沿轮面的切线方向移动，也可以沿轮子的轴线方向移动。如图4。

在移动端上为充电部分;伺服电机：长：274mm，宽高都为80mm，伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以更好的进行移动送药，精确定位，辐射小，对于医院的危害性更低，并借此来完成与充电箱的对接，进行充电。充电部分由电箱门，隔板，充电块。电箱门用来打开充电部分，换取电池，换取电池时，将电箱门抓手向上抬，电箱门上部就会向里运动，最后全部打开，换取电池。其中有隔板用来分开每一块电池，共六块隔板，都可左右移动，隔板左侧和右侧各三块，前后分开，放电池时将所有隔板推向一边，随后放入电池，从里向外，从左向右，一层一层放入电池，待一层放好之后，用隔板进行分割，随后再放下一层。隔充电块悬挂在电箱内，在进行充电时，与充电箱内的充电块互相感应进行充电。

充电箱便捷式充电，可以根据需要进行移动，较为方便，在进行充电时，机器人对其进行感应导航，到达充电箱的位置，进行充电。如图5。

三、结论

该医疗服务送药机器人，安全且节约能耗。无线通信功能人性化与病人沟通搭配智能化触控屏、液晶屏丰富交流内容，增加医院医疗防护知识宣传力度。目前，社会科技高速发展，机器人成为未来发展的热点领域。医疗送药机器人在类新冠病毒等传染性疾病的防疫医护工作中具备极高的应用价值。

通讯作者：宋青山（1985.02）男，汉族，黑龙江省哈尔滨市，本科，专业技术十二级，实验室教师.

（上海工程技术大学 航空运输学院  201600）