摘要

基于對病房護(hù)理機(jī)器人行業(yè)的分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人能夠為人類帶來醫(yī)療手術(shù)、診治、體溫檢測、配送、消毒殺菌的服務(wù)，市面上的病房護(hù)理機(jī)器人不能夠滿足靈活多變的機(jī)器人需求，再加上受新冠疫情的影響，全球服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模增長快速，預(yù)計2021年市場容量占比率達(dá)36%。不同于目前市場上機(jī)器人的嵌入式設(shè)計，本項目的機(jī)器人創(chuàng)新采用了 FPGA 芯片，并利用國產(chǎn) Robei EDA 工具進(jìn)行設(shè)計和仿真。根據(jù)疫情防控以及病房隔離的需求，設(shè)計一款基于Robei EDA工具的看護(hù)機(jī)器人具備病患狀態(tài)監(jiān)測、病房環(huán)境監(jiān)測、 無接觸式運(yùn)送服務(wù)、娛樂休閑服務(wù)四大基本功能。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試，機(jī)器人可以達(dá)到預(yù)期的要求，隨著時間的推移，機(jī)器人還可以不斷地完善，可以更好的為行業(yè)服務(wù)。

0 作品功能

病患狀態(tài)監(jiān)測：機(jī)器人通過分析采集的實時圖像信息，檢測目標(biāo)對象，并了解病患的運(yùn)動方向，進(jìn)而觸發(fā)機(jī)器人完成跟隨病患的功能；

病房環(huán)境監(jiān)測：機(jī)器人通過對采集的實時圖像信息進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測分析，進(jìn)而觸發(fā)機(jī)器人完成攝像頭機(jī)械臂運(yùn)動控制功能實現(xiàn)對病房環(huán)境的監(jiān)控；

無接觸式運(yùn)送服務(wù)：機(jī)器人通過藍(lán)牙獲取用戶手機(jī)APP發(fā)送的指令，執(zhí)行尋跡、遙控、機(jī)械臂運(yùn)動功能，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)器人物品運(yùn)送；

娛樂休閑服務(wù)：機(jī)器人開創(chuàng)性的增加了娛樂休閑功能，通過移植貪吃蛇游戲，以及開發(fā)井字棋人機(jī)大戰(zhàn)，實現(xiàn)人機(jī)互動，為患者提供娛樂休閑服務(wù)。

1 項目架構(gòu)

由于主控制板AC620/Inter/EP4CE10F17C8開發(fā)板完成整個系統(tǒng)的大部分功能芯片資源已占82%，包括視頻圖像采集、兩個機(jī)械臂控制、藍(lán)牙通信、貪吃蛇四大模塊，幀差、中值濾波、形態(tài)學(xué)算法、井字棋人機(jī)大戰(zhàn)算法等四大算法，獨(dú)立完成病患狀態(tài)檢測、娛樂休閑服務(wù)兩大功能；增加第二塊若貝八角板/Xilinx/XC7Z020CLG400-1 FPGA開發(fā)板完成包括機(jī)器人小車控制（智能尋跡、遙控小車）、藍(lán)牙通信兩大模塊，PID算法、中值濾波兩大算法，與主控制板共同完成病患狀態(tài)檢測（AC620負(fù)責(zé)病患目標(biāo)檢測獲取位置信息觸發(fā)八角板機(jī)器人小車跟隨運(yùn)動）、無接觸式運(yùn)送（AC620負(fù)責(zé)物品抓取與精準(zhǔn)投放、八角板負(fù)責(zé)物品運(yùn)送，都由手機(jī)發(fā)送指令控制）兩大功能。整體架構(gòu)設(shè)計如下圖所示。

AC620 Robei工程頂層架構(gòu)如下圖所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 圖像處理模塊

為了實現(xiàn)物體的動態(tài)檢測以及目標(biāo)檢測，所以需要完成對圖像的采集、存儲和處理。利用攝像頭ov7670采集圖像信息，存入SDRAM中，其后利用采集存儲的圖像經(jīng)過灰度化、幀差法、中值濾波、形態(tài)學(xué)算法開運(yùn)算實現(xiàn)物體的動態(tài)檢測以及目標(biāo)識別。圖像處理總體架構(gòu)如下圖。

2.2 機(jī)器人運(yùn)動控制模塊

首先通過增量型碼盤得到電機(jī)每轉(zhuǎn)過單位角度的脈沖信號即A相、B相輸出，通過取A相、B相的上升和下降沿進(jìn)行4倍頻得到電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，作為PID控制的反饋輸入，從而維持電機(jī)一定的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動及機(jī)器人小車穩(wěn)定前進(jìn)。增量型PID算法流程圖如下圖。

然后通過超聲波模塊得到機(jī)器人小車與與前方物體之間的距離，當(dāng)小于50cm的時候給機(jī)器人小車控制模塊使能信號控制小車的運(yùn)動，停止或者前進(jìn)。也可以通過5路循跡模塊輸出的1，0信號（檢測到白色給值1，黑色給值0），將這些控制信號轉(zhuǎn)化為左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)信號連接到機(jī)器人小車控制模塊，來實現(xiàn)小車對設(shè)定軌道的識別循跡。還可以利用手機(jī)APP通過藍(lán)牙通信發(fā)送控制指令，到藍(lán)牙通信模塊將指令轉(zhuǎn)化為對機(jī)器人小車的控制信號，從而對機(jī)器人小車進(jìn)行控制。

2.3 井字棋游戲模塊

首先人機(jī)大戰(zhàn)井字棋游戲功能首先要從智能棋盤出得到對弈選手落下棋子的位置，caculate計算模塊分析對手所走棋的位置進(jìn)而了智能計算下一步機(jī)器人棋子落下的位置，將位置信號及運(yùn)動使能信號傳輸給auto_chess模塊完成對機(jī)械臂的控制，實現(xiàn)機(jī)械臂抓取棋子并將棋子放在計算模塊給定的位置處，實現(xiàn)人機(jī)游戲的交互。井字棋算法流程圖如下圖。

2.4 貪吃蛇游戲模塊

移動方向模塊（snake_direction_ctrl）獲得外部遙控器移動方向的按鍵控制信息，進(jìn)而控制游戲模塊（game_ctrl）與隨機(jī)蘋果（snake_apple）產(chǎn)生電路一起控制蛇的運(yùn)動模式（snake_mod）、最后通過HDMI顯示電路（vga_top）完成可視化顯示。（HDMI顯示電路需要單獨(dú)的工作時鐘，所需還需要一個PLL鎖相環(huán)電路（pll_hdmi）提供HDMI驅(qū)動時鐘）。貪吃蛇算法移植框圖如下圖。

2.5 WiFi定位模塊

在室內(nèi)環(huán)境根據(jù)一些WiFi的接入點(diǎn)和移動設(shè)備進(jìn)行位置指紋法定位。主要分為兩個階段：離線階段和在線階段。在離線階段，為了采集各個位置上的指紋，構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫，需要在指定的區(qū)域進(jìn)行繁瑣的勘測，采集好的數(shù)據(jù)有時也稱為訓(xùn)練集。在在線階段，系統(tǒng)將根據(jù)KNN算法估計待定位的移動設(shè)備的位置。WiFi定位的實現(xiàn)如下圖。

3 項目總結(jié)

隨著決賽的完美落幕，我們的項目也算是告一段落。目前我們設(shè)計的這一款基于Robei EDA工具的隔離病房看護(hù)機(jī)器人已經(jīng)基本完成了預(yù)期目標(biāo)。該機(jī)器人實現(xiàn)了目標(biāo)追隨（實時監(jiān)控+跟蹤行走）、自主循跡行走、遙控行走、輔助抓取物體、人機(jī)互動游戲、心率檢測等功能。

在整個項目設(shè)計過程中，我們合理分工并根據(jù)根據(jù)要求規(guī)劃時間進(jìn)度。在項目初期，小組在查閱相關(guān)資料后確定項目設(shè)計方向，并多次與指導(dǎo)老師進(jìn)行討論，直至確定命題，以目前新冠疫情持續(xù)籠罩的背景下，推出一款隔離病房看護(hù)機(jī)器人，旨在為醫(yī)護(hù)人員減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)與潛在感染風(fēng)險；項目中期，小組成員開始分模塊進(jìn)行項目設(shè)計，圖像處理和機(jī)械臂處理是我們重點(diǎn)設(shè)計的方向；在項目調(diào)試期間，小組成員采用分-總的方式進(jìn)行測試工作，以保證發(fā)生錯誤后能夠最快速地解決；最后在收尾工作時，由于小組成員在平時設(shè)計時大多保存了設(shè)計過程的記錄，所以在收尾總結(jié)時省去了不好力氣，再加上指導(dǎo)老師多次的耐心修改，收尾工作完成地很順利。

心得體會

在歷時幾個月的項目設(shè)計中，小組成員一直不斷重復(fù)著發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的循環(huán)中度過。整個過程中遇到了很多問題，但也從中學(xué)到了很多。

（1） 項目的實用型很重要：創(chuàng)新一直是我們不斷追求的目標(biāo)，我們往往會忽視實用的重要性。在最開始選題時，我們小組成員都一心撲在了如何突出創(chuàng)新點(diǎn)，想了很多選題都缺乏實用型，但指導(dǎo)老師及時建議我們更換思路然后最終確定選題方向。

（2） 抗壓能力很重要：在這樣一個慢周期的項目進(jìn)展過程中，最考驗人的就是心態(tài)的調(diào)整。經(jīng)常會遇到一個問題尚未解決另一個問題接踵而至的情況，在這期間我們可能一個功能的模塊都會更換很多種。在不斷磨煉地過程中，抗壓能力也得到了提高。

（3） 增強(qiáng)了的團(tuán)隊感：在組長的部署安排下，整個團(tuán)隊氛圍感很融洽，這也為項目設(shè)計營造了一個良好的工作環(huán)境。在互相協(xié)作的過程中，也增進(jìn)了合作的默契，為更好地完成項目提供了良好的條件。

最終，十分感謝我們的指導(dǎo)老師，總是耐心地給出針對性的意見。同時感謝主辦方，為我們這些FPGA愛好者提供平臺進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。

審核編輯 ：李倩