摘要

基于對病房護理機器人行業(yè)的分析，發(fā)現(xiàn)機器人能夠為人類帶來醫(yī)療手術、診治、體溫檢測、配送、消毒殺菌的服務，市面上的病房護理機器人不能夠滿足靈活多變的機器人需求，再加上受新冠疫情的影響，全球服務機器人市場規(guī)模增長快速，預計2021年市場容量占比率達36%。不同于目前市場上機器人的嵌入式設計，本項目的機器人創(chuàng)新采用了 FPGA 芯片，并利用國產 Robei EDA 工具進行設計和仿真。根據疫情防控以及病房隔離的需求，設計一款基于Robei EDA工具的看護機器人具備病患狀態(tài)監(jiān)測、病房環(huán)境監(jiān)測、 無接觸式運送服務、娛樂休閑服務四大基本功能。經過系統(tǒng)設計與調試，機器人可以達到預期的要求，隨著時間的推移，機器人還可以不斷地完善，可以更好的為行業(yè)服務。

0 作品功能

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

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

無接觸式運送服務：機器人通過藍牙獲取用戶手機APP發(fā)送的指令，執(zhí)行尋跡、遙控、機械臂運動功能，進而實現(xiàn)機器人物品運送；

娛樂休閑服務：機器人開創(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)井字棋人機大戰(zhàn)，實現(xiàn)人機互動，為患者提供娛樂休閑服務。

1 項目架構

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、兩個機械臂控制、藍牙通信、貪吃蛇四大模塊，幀差、中值濾波、形態(tài)學算法、井字棋人機大戰(zhàn)算法等四大算法，獨立完成病患狀態(tài)檢測、娛樂休閑服務兩大功能；增加第二塊若貝八角板/Xilinx/XC7Z020CLG400-1 FPGA開發(fā)板完成包括機器人小車控制（智能尋跡、遙控小車）、藍牙通信兩大模塊，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負責病患目標檢測獲取位置信息觸發(fā)八角板機器人小車跟隨運動）、無接觸式運送（AC620負責物品抓取與精準投放、八角板負責物品運送，都由手機發(fā)送指令控制）兩大功能。整體架構設計如下圖所示。

AC620 Robei工程頂層架構如下圖所示。

2 系統(tǒng)架構設計

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過灰度化、幀差法、中值濾波、形態(tài)學算法開運算實現(xiàn)物體的動態(tài)檢測以及目標識別。圖像處理總體架構如下圖。

2.2 機器人運動控制模塊

首先通過增量型碼盤得到電機每轉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行4倍頻得到電機轉動速度，作為PID控制的反饋輸入，從而維持電機一定的速度進行轉動及機器人小車穩(wěn)定前進。增量型PID算法流程圖如下圖。

然后通過超聲波模塊得到機器人小車與與前方物體之間的距離，當小于50cm的時候給機器人小車控制模塊使能信號控制小車的運動，停止或者前進。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），將這些控制信號轉化為左轉、右轉、前進信號連接到機器人小車控制模塊，來實現(xiàn)小車對設定軌道的識別循跡。還可以利用手機APP通過藍牙通信發(fā)送控制指令，到藍牙通信模塊將指令轉化為對機器人小車的控制信號，從而對機器人小車進行控制。

2.3 井字棋游戲模塊

首先人機大戰(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而了智能計算下一步機器人棋子落下的位置，將位置信號及運動使能信號傳輸給auto_chess模塊完成對機械臂的控制，實現(xiàn)機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，進而控制游戲模塊（game_ctrl）與隨機蘋果（snake_apple）產生電路一起控制蛇的運動模式（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

在室內環(huán)境根據一些WiFi的接入點和移動設備進行位置指紋法定位。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，構建一個數據庫，需要在指定的區(qū)域進行繁瑣的勘測，采集好的數據有時也稱為訓練集。在在線階段，系統(tǒng)將根據KNN算法估計待定位的移動設備的位置。WiFi定位的實現(xiàn)如下圖。

3 項目總結

隨著決賽的完美落幕，我們的項目也算是告一段落。目前我們設計的這一款基于Robei EDA工具的隔離病房看護機器人已經基本完成了預期目標。該機器人實現(xiàn)了目標追隨（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、人機互動游戲、心率檢測等功能。

在整個項目設計過程中，我們合理分工并根據根據要求規(guī)劃時間進度。在項目初期，小組在查閱相關資料后確定項目設計方向，并多次與指導老師進行討論，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機器人，旨在為醫(yī)護人員減輕醫(yī)療負擔與潛在感染風險；項目中期，小組成員開始分模塊進行項目設計，圖像處理和機械臂處理是我們重點設計的方向；在項目調試期間，小組成員采用分-總的方式進行測試工作，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計時大多保存了設計過程的記錄，所以在收尾總結時省去了不好力氣，再加上指導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計中，小組成員一直不斷重復著發(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，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，想了很多選題都缺乏實用型，但指導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展過程中，最考驗人的就是心態(tài)的調整。經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） 增強了的團隊感：在組長的部署安排下，整個團隊氛圍感很融洽，這也為項目設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愛好者提供平臺進行交流學習。

審核編輯 ：李倩