摘要

基于對(duì)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?yàn)槿祟悗?lái)醫(yī)療手術(shù)、診治、體溫檢測(cè)、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(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)快速，預(yù)計(jì)2021年市場(chǎng)容量占比率達(dá)36%。不同于目前市場(chǎng)上機(jī)器人的嵌入式設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目的機(jī)器人創(chuàng)新采用了 FPGA 芯片，并利用國(guó)產(chǎn) Robei EDA 工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。根據(jù)疫情防控以及病房隔離的需求，設(shè)計(jì)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(cè)、病房環(huán)境監(jiān)測(cè)、 無(wú)接觸式運(yùn)送服務(wù)、娛樂(lè)休閑服務(wù)四大基本功能。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試，機(jī)器人可以達(dá)到預(yù)期的要求，隨著時(shí)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(cè)：機(jī)器人通過(guò)分析采集的實(shí)時(shí)圖像信息，檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象，并了解病患的運(yùn)動(dòng)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(cè)：機(jī)器人通過(guò)對(duì)采集的實(shí)時(shí)圖像信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)而觸發(fā)機(jī)器人完成攝像頭機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)對(duì)病房環(huán)境的監(jiān)控；

無(wú)接觸式運(yùn)送服務(wù)：機(jī)器人通過(guò)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(dòng)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人物品運(yùn)送；

娛樂(lè)休閑服務(wù)：機(jī)器人開(kāi)創(chuàng)性的增加了娛樂(lè)休閑功能，通過(guò)移植貪吃蛇游戲，以及開(kāi)發(fā)井字棋人機(jī)大戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，為患者提供娛樂(lè)休閑服務(wù)。

1 項(xiàng)目架構(gòu)

由于主控制板AC620/Inter/EP4CE10F17C8開(kāi)發(fā)板完成整個(gè)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(gè)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(cè)、娛樂(lè)休閑服務(wù)兩大功能；增加第二塊若貝八角板/Xilinx/XC7Z020CLG400-1 FPGA開(kāi)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(cè)（AC620負(fù)責(zé)病患目標(biāo)檢測(cè)獲取位置信息觸發(fā)八角板機(jī)器人小車跟隨運(yùn)動(dòng)）、無(wú)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(jì)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(jì)

2.1 圖像處理模塊

為了實(shí)現(xiàn)物體的動(dòng)態(tài)檢測(cè)以及目標(biāo)檢測(cè)，所以需要完成對(duì)圖像的采集、存儲(chǔ)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(chǔ)的圖像經(jīng)過(guò)灰度化、幀差法、中值濾波、形態(tài)學(xué)算法開(kāi)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)物體的動(dòng)態(tài)檢測(cè)以及目標(biāo)識(shí)別。圖像處理總體架構(gòu)如下圖。

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊

首先通過(guò)增量型碼盤(pán)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)單位角度的脈沖信號(hào)即A相、B相輸出，通過(guò)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(shí)候給機(jī)器人小車控制模塊使能信號(hào)控制小車的運(yùn)動(dòng)，停止或者前進(jìn)。也可以通過(guò)5路循跡模塊輸出的1，0信號(hào)（檢測(cè)到白色給值1，黑色給值0），將這些控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)信號(hào)連接到機(jī)器人小車控制模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車對(duì)設(shè)定軌道的識(shí)別循跡。還可以利用手機(jī)APP通過(guò)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(duì)機(jī)器人小車的控制信號(hào)，從而對(duì)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(pán)出得到對(duì)弈選手落下棋子的位置，caculate計(jì)算模塊分析對(duì)手所走棋的位置進(jìn)而了智能計(jì)算下一步機(jī)器人棋子落下的位置，將位置信號(hào)及運(yùn)動(dòng)使能信號(hào)傳輸給auto_chess模塊完成對(duì)機(jī)械臂的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取棋子并將棋子放在計(jì)算模塊給定的位置處，實(shí)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(dòng)方向模塊（snake_direction_ctrl）獲得外部遙控器移動(dòng)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(píng)果（snake_apple）產(chǎn)生電路一起控制蛇的運(yùn)動(dòng)模式（snake_mod）、最后通過(guò)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(shí)鐘，所需還需要一個(gè)PLL鎖相環(huán)電路（pll_hdmi）提供HDMI驅(qū)動(dòng)時(shí)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(dòng)設(shè)備進(jìn)行位置指紋法定位。主要分為兩個(gè)階段：離線階段和在線階段。在離線階段，為了采集各個(gè)位置上的指紋，構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，需要在指定的區(qū)域進(jìn)行繁瑣的勘測(cè)，采集好的數(shù)據(jù)有時(shí)也稱為訓(xùn)練集。在在線階段，系統(tǒng)將根據(jù)KNN算法估計(jì)待定位的移動(dòng)設(shè)備的位置。WiFi定位的實(shí)現(xiàn)如下圖。

3 項(xiàng)目總結(jié)

隨著決賽的完美落幕，我們的項(xiàng)目也算是告一段落。目前我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了目標(biāo)追隨（實(shí)時(shí)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(dòng)游戲、心率檢測(cè)等功能。

在整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們合理分工并根據(jù)根據(jù)要求規(guī)劃時(shí)間進(jìn)度。在項(xiàng)目初期，小組在查閱相關(guān)資料后確定項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(xiǎn)；項(xiàng)目中期，小組成員開(kāi)始分模塊進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，圖像處理和機(jī)械臂處理是我們重點(diǎn)設(shè)計(jì)的方向；在項(xiàng)目調(diào)試期間，小組成員采用分-總的方式進(jìn)行測(cè)試工作，以保證發(fā)生錯(cuò)誤后能夠最快速地解決；最后在收尾工作時(shí)，由于小組成員在平時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)大多保存了設(shè)計(jì)過(guò)程的記錄，所以在收尾總結(jié)時(shí)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(huì)

在歷時(shí)幾個(gè)月的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，小組成員一直不斷重復(fù)著發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的循環(huán)中度過(guò)。整個(gè)過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，但也從中學(xué)到了很多。

（1） 項(xiàng)目的實(shí)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(huì)忽視實(shí)用的重要性。在最開(kāi)始選題時(shí)，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(shí)用型，但指導(dǎo)老師及時(shí)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(gè)慢周期的項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中，最考驗(yàn)人的就是心態(tài)的調(diào)整。經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題尚未解決另一個(gè)問(wèn)題接踵而至的情況，在這期間我們可能一個(gè)功能的模塊都會(huì)更換很多種。在不斷磨煉地過(guò)程中，抗壓能力也得到了提高。

（3） 增強(qiáng)了的團(tuán)隊(duì)感：在組長(zhǎng)的部署安排下，整個(gè)團(tuán)隊(duì)氛圍感很融洽，這也為項(xiàng)目設(shè)計(jì)營(yíng)造了一個(gè)良好的工作環(huán)境。在互相協(xié)作的過(guò)程中，也增進(jìn)了合作的默契，為更好地完成項(xiàng)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(duì)性的意見(jiàn)。同時(shí)感謝主辦方，為我們這些FPGA愛(ài)好者提供平臺(tái)進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。

審核編輯 ：李倩