一种可实现血氧饱和度检测的健康服务机器人

摘要

本发明公开了一种可实现血氧饱和度检测的健康服务机器人，包括机器人本体、主控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元、医疗检测单元以及电源供电单元；所述医疗检测单元包括血氧饱和度检测装置，所述血氧饱和度检测装置安装在机器人本体的掌心正面；所述主控制单元通过总线通信协议和串口通信协议分别与运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元相连；所述电源供电单元用于为其它各单元供电。本发明的健康服务机器人结合机器人移动技术和医疗检测技术，具有良好的人机交互、便于移动、使用方便、使用时间长的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种服务机器人，尤其是一种可实现血氧饱和度检测的健康服务机器 人，属于服务机器人和生命体征参数检测技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们的健康意识日益增强，随时随地无负荷检测生理 参数的需求随之出现，近几年，发展迅速的服务机器人正是满足这种需求的理想载体， 利用机器人终端采集用户的血氧饱和度信息是移动医疗和远程医疗的未来发展方向， 随着将血氧检测功能移植到服务机器人上，一方面可以实时监测心脑缺氧疾病、组织 性缺氧疾病、呼吸性缺氧疾病和睡眠呼吸暂停综合症，方便使用者进行自我健康状况 评估，及早采取措施控制病情，最大程度避免血氧饱和度过低造成的健康危害或者生 命危险。另一方面，可以为行动不便的老人和孩子进行随时随地的健康检测，并通过 语音的交互、结果的语音播报可以很大程度地简化操作。

空气中的氧气在人体肺部进行交换后进入血液，结合在血红蛋白上供给到全身， 维持细胞的正常新陈代谢。血氧饱和度(SpO2)用于反映这种血液中含氧水平，血氧饱 和度是指血液中氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部血红蛋白(Hb)容量的百分比。在正 常情况下，人体的血氧饱和度保持在98％，一般不会低于94％，若血氧饱和度过低， 则表明组织得不到充足的氧，或不能充分利用氧，导致组织的代谢、机能、甚至形态 结构发生异常变化，缺血缺氧4分钟即可造成神经元的死亡，严重时可危及生命。因 此，对人体进行血氧饱和度的检测非常重要。

目前，血氧饱和度检测功能常见于各种监护仪中，为监护、健康评价提供了一种 客观的生命体征参数，然而，这些市场上常见的血氧饱和度检测装置大多采用透射式 血氧饱和度检测方法，操作不便、舒适度差，会造成检测时的紧张感，给检测者带来 心理压力和生理负荷，从而导致结果失真，且这些检测设备大多集中在大型医院里面， 不利于远程医疗系统的构建和移动医疗的便捷指标，难以在家庭中推广，也难以实现 用户与医生进行远程互动。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种可实现血氧饱和度检 测的健康服务机器人，该健康服务机器人可以实现血氧饱和度检测，具有良好的人机 交互、便于移动、使用方便、使用时间长的优点。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种可实现血氧饱和度检测的健康服务机器人，包括机器人本体、主控制单元、 运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元、医疗检测 单元以及电源供电单元；

所述主控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知 传感器单元和医疗检测单元设置在机器人本体上；所述医疗检测单元包括血氧饱和度 检测装置，所述血氧饱和度检测装置安装在机器人本体的掌心正面，机器人本体的掌 心与用户掌心贴合时，唤醒血氧饱和度检测装置以采集用户的血氧饱和度信息；

所述主控制单元通过总线通信协议和串口通信协议分别与运动控制单元、双目视 觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元相连；

所述电源供电单元用于为主控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机 交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元供电。

优选的，所述主控制单元包括中央处理器、通用外围设备接口模块、存储器模块、 通信接口模块；所述中央处理器通过通用外围设备接口模块或通信接口模块接收来自 运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测 单元的数据信息，对数据进行整合处理，然后进行判断决策并将数据存储在存储器模 块中，所述中央处理器通过通信接口模块进行指令的收发，进而控制运动控制单元、 双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元的工作方式。

优选的，所述运动控制单元包括电机驱动模块、光耦隔离模块、电机组和测速编 码器；所述电机驱动模块用于接收主控制单元发送的PWM控制信号，驱动电机组转 动，且所述电机驱动模块与主控制单元之间通过光耦隔离模块隔离；所述测速编码器 与电机组相连，用于实时反馈电机组的位置信息和转速信息，实现电机组位置和转速 的闭环控制；所述电机组用于控制机器人本体的头部转动、腰部转动、机械臂动作以 及底盘运动。

优选的，所述双目视觉捕捉单元选用微软公司的Kinect体感传感器，用于实现机 器人的导航与定位功能，以及最优路径的规划。

优选的，所述人机交互单元包括触控显示模块和语音交互模块，所述触控显示模 块用于视频交互以及运动控制单元、双目视觉捕捉单元、环境感知传感器单元和医疗 检测单元的状态显示，还通过无线信号与外部移动终端相连；所述语音交互模块包括 语音识别单元、语音合成单元、语音提示单元，所述语音识别单元用于识别来自用户 的语音指令；所述语音合成单元用于对识别的语音数据进行处理，合成机器码，发送 给主控制单元进行决策；所述语音提示单元用于接收主控制单元发送过来的控制指令， 对用户进行语音提示，实现用户与机器人之间的交互功能。

优选的，所述环境感知传感器单元包括光电开关、陀螺仪传感器、触碰传感器、 红外传感器和超声波传感器；所述光电开关、触碰传感器、红外传感器、超声波传感 器协同工作，进行障碍物的识别与躲避；所述陀螺仪传感器对机器人本体进行姿态解 读；所述环境感知传感器单元采用多传感器信息融合技术对感知回来的数据进行处理， 通过主控制单元进行反馈控制。

优选的，所述电源供电单元包括充电底座、蓄电池充电接口、蓄电池、电压变换 模块；所述蓄电池充电接口、蓄电池和电压变换模块集成到机器人本体内，所述充电 底座固定在室内；在机器人工作时，所述电压变换模块将蓄电池提供的电压转换成主 控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元和环境感知传感器单元 所需要的电压，当蓄电池电量低于设定的阈值时，机器人通过环境感知传感器单元自 动回到充电底座处进行充电。

优选的，所述血氧饱和度检测装置包括血氧传感器、集成模拟前端、混合信号微 控制器、蓝牙模块、指示灯模块和电源模块；所述血氧传感器与集成模拟前端相连， 该血氧传感器由LED灯和接收头组成；所述集成模拟前端通过SPI与混合信号微控制 器相连；所述蓝牙模块通过UART与混合信号微控制器相连，该蓝牙模块用于与外部 设备连接；所述电源模块用于为血氧传感器、集成模拟前端、混合信号微控制器、蓝 牙模块、指示灯模块供电；所述指示灯模块与混合信号微控制器相连，用于显示机器 人处于血氧饱和度检测的功能状态；

所述蓝牙模块包括主控制模块、射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器 接口模块；所述主控制模块用于接收、存储混合信号微控制器传来的信号，并在信号 需要向外传输时，将信号传入射频核心模块；所述射频核心模块用于在信号需要向外 传输时，接收主控制模块传入的信号，并将信号由天线向外传输；所述通用外围设备 接口模块包括导线相连的I²C、UART和SPI；所述主控制模块分别通过导线与射频核 心模块、通用外围设备接口模块和传感器接口模块相连。

优选的，所述集成模拟前端包括多导联选择电路、威尔逊校准电路、滤波电路、 AD转换电路和SPI通讯接口，用于对血氧传感器采集到的血氧饱和度信号进行预处理； 所述混合信号微控制器用于对集成模拟前端预处理后的信号进行中值滤波运算、滑动 平均运算和LMS运算，从而实现对来自集成模拟前端的数字信号消除孤立的噪声点， 低通滤波和自适应滤波，得到平滑的数字信号分布，并进一步采用运动补偿算法去除 运动过程中产生的运动伪差。

优选的，所述机器人本体的操作系统采用开源机器人操作系统，其搭载在Linux 内核的ubuntu系统下，通过串口与主控制单元进行通信，进而控制运动控制单元、双 目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元的工作方式。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的健康服务机器人可以实现血氧饱和度检测，结合机器人移动技术和医 疗检测技术，能够很大程度提高血氧饱和度检测装置的移动便携性能和交互性，方便 了用户随时随地进行无负荷的医疗检测，为用户带来更好的医疗服务和更简便的操作 体验。

2、本发明的双目视觉捕捉单元采用微软公司的Kinect体感传感器，克服了传统环 境建模与分析方面的局限性，Kinect体感传感器通过三摄像头能够有效的建立3D立体 环境，从而提高主控制单元的决策判断能力。

3、本发明的电源供电单元采用固定充电底座与蓄电池充电接口的方式，当蓄电池 电量过低的时候能够通过环境感知传感器单元自动识别路线，回到充电底座处进行充 电，这种自动充电方式省去了用户花费在机器人充电环节上的时间和精力。

4、本发明的健康服务机器人的操作系统采用搭载Linux内核的ubuntu操作系统， 开源机器人操作系统ROS运行于ubuntu系统上，运用ROS自带的库与工具包集，能 够简化计算机视觉算法、以及导航定位和路径规划算法，可以有效提高开发效率，减 短系统的开发周期。

5、本发明的血氧饱和度检测装置安装在机器人本体的掌心正面，用户掌心与机器 人本体的掌心贴合，血氧传感器能够快速识别用户手掌并被唤醒，驱动LED发光，从 而采集用户的血氧饱和度参数，通过手掌之间的这种贴合实现血氧饱和度检测，能为 用户带来无负荷、更具互动性的健康体验。

6、本发明将血氧饱和度检测装置植入健康服务机器人，克服了传统血氧饱和度检 测单元体积笨重带来的使用局限性，并且通过移动机器人可以实现随时随地的血氧饱 和度无负荷检测；移动便捷，结果准确，功耗极低，便于进行室内家居或者缺氧性疾 病的血氧饱和度随时随地检测，最大程度地降低缺氧对机体的损害和生命危险。

7、本发明的血氧饱和度检测装置中的蓝牙模块，采用超低功耗蓝牙模块BLE，配 有自主的超低功耗传感器控制器，可以自主感知外接血氧传感器的工作状态，能够自 动识别传感器工作状态，从而自动进入睡眠状态减小功耗，而且唤醒时间短，待机时 间长，能够很好的满足工作要求。

8、本发明的血氧饱和度检测装置采用蓝牙模块可以将检测结果发送到机器人本体 上的触控显示模块进行显示，进而减小主控制单元的运算负担，进一步计算得到健康 参数，更可以通过外部移动终端为远程医疗监护和远程医疗诊断提供有力支持，通过 蓝牙技术和机器人移动技术可以大大减小医疗设备的体积和移动性能，从而给使用者 带来更好的、更准确的、更实用的医疗体验。

9、本发明的血氧饱和度检测装置采用集成模拟前端，使得信号处理效率更高，稳 定性明显增强。克服了以往检测装置中测试装置复杂，需要使用大量电子元件，不易 于实现便携化的缺点，此外，现有技术中光强信号转换为电信号后以模拟电压信号的 方式向下一级传输，直到A/D转换处才实现数字化，这个过程中信号极易受到外界的 干扰而引入噪声，通过采用集成模拟前端，克服了这个缺陷，极大提高了测量结果的 准确性。

附图说明

图1为本发明的健康服务机器人的组成结构框图。

图2为本发明的运动控制单元的功能原理图。

图3为本发明的血氧饱和度检测装置的组成结构框图。

图4为本发明的血氧饱和度检测装置中血氧传感器的组成图。

图5为本发明的血氧饱和度检测装置的安装位置图。

图6为本发明的血氧饱和度检测装置中蓝牙模块的组成结构框图。

图7为本发明的健康服务机器人血氧饱和度检测工作流程图。

图8为本发明的血氧饱和度检测装置中混合信号微控制器工作流程图。

具体实施方式

实施例1：

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。

如图1所示，本实施例的健康服务机器人包括机器人本体、主控制单元、运动控 制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元、医疗检测单元以 及电源供电单元；所述主控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单 元、环境感知传感器单元和医疗检测单元设置在机器人本体上；所述医疗检测单元包 括血氧饱和度检测装置，所述血氧饱和度检测装置安装在机器人本体的掌心正面；所 述主控制单元通过总线通信协议和串口通信协议分别与运动控制单元、双目视觉捕捉 单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元相连；其中，运动控制单 元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元为顶层 的功能单元。

所述机器人本体的底层操作系统(软件处理平台)采用开源机器人操作系统(Robot OperatingSystem，ROS)，其包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、 程序间的消息传递、程序发行包管理、分布式的进程框架以及支持代码库的系统联合； 开源机器人操作系统搭载在Linux内核的ubuntu(乌班图)系统下，通过串口与主控 制单元进行通信，进而控制运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境 感知传感器单元和医疗检测单元的工作方式。

所述主控制单元包括中央处理器(CPU)、通用外围设备接口模块、存储器模块、 通信接口模块；所述中央处理器通过通用外围设备接口模块或通信接口模块接收来自 运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测 单元的数据信息，对数据进行整合处理，所述数据整合处理包括滤波算法、神经网络 算法、模糊控制算法，然后进行判断决策并将数据存储在存储器模块中，所述中央处 理器通过通信接口模块进行指令的收发，进而控制运动控制单元、双目视觉捕捉单元、 人机交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元的工作方式；所述通信接口模块 包括I²C(Inter-IntegratedCircuit)、CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域网络) 总线和UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)和 SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)串口通信模块，以满足不同功能单元 之间的通信接口要求；所述中央处理器能够与操作系统进行通信，完成运动控制、导 航与定位、人机交互、数据通信的功能要求。

如图2所示，所述运动控制单元包括电机驱动模块、光耦隔离模块、电机组和测 速编码器；所述电机驱动模块用于接收主控制单元发送的PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)控制信号，驱动电机组转动，且所述电机驱动模块与主控 制单元之间通过光耦隔离模块隔离，保护主控制单元不受电机电压波动的影响；所述 测速编码器与电机组相连，用于实时反馈电机组的位置信息和转速信息，实现电机组 位置和转速的闭环控制；所述电机组可以由伺服电机、直流电机、步进电机、大力矩 舵机组成，用于控制机器人本体的头部转动、腰部转动、机械臂动作以及底盘运动。

所述双目视觉捕捉单元选用微软公司的Kinect体感传感器，该Kinect体感传感器 用于通过三摄像头建立3D立体环境，并通过图像识别与处理，实现机器人的导航与定 位功能，以及最优路径的规划，从而提高主控制单元的决策判断能力。

所述人机交互单元包括触控显示模块和语音交互模块，所述触控显示模块为平板 电脑，该平板电脑置于机器人本体的胸前，用于视频交互以及运动控制单元、双目视 觉捕捉单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元的状态显示，它为用户提供了个性 化的选择服务，用户通过触控显示模块与机器人进行交互，并将交互结果反馈给触控 显示模块，触控显示模块还通过无线信号(数据通道可以选择蜂窝网络/无线局域网/ 蓝牙)与外部移动终端相连；所述语音交互模块包括语音识别单元、语音合成单元、 语音提示单元，所述语音识别单元用于识别来自用户的语音指令；所述语音合成单元 用于对识别的语音数据进行处理，合成机器码(能被顶层各功能单元识别)，发送给主 控制单元进行决策；所述语音提示单元可以采用语音提示器，用于接收主控制单元发 送过来的控制指令，对用户进行语音提示，实现用户与机器人之间的交互功能；可见， 用户可以通过语音指令、平板电脑操作界面以及利用外部移动终端发送遥控命令来完 成控制机器人的操作。

所述触控显示模块提供了可视化界面，便于用户进行交互界面控制，通过触控显 示模块的摄像头功能为用户与医疗工作者建立远程医疗的交互界面，同时提供拍照、 摄像、录影和影音播放娱乐服务，并与外部移动终端能够保持云端同步以及个性化功 能自定义，并能提供短信、邮件的收发功能，便于为用户提供良好的交互体验；所述 语音提示单元可以提醒用户吃药、进行生理信息的播报，以及进行数据分析后的建议 提示的语音播报，同时能够为用户提供MP3娱乐功能，所述语音识别单元可以识别用 户语音，通过语音处理技术控制相关功能单元提供服务功能。

所述环境感知传感器单元包括光电开关、陀螺仪传感器、触碰传感器、红外传感 器和超声波传感器；所述光电开关、触碰传感器、红外传感器、超声波传感器协同工 作，进行障碍物的识别与躲避；所述陀螺仪传感器对机器人本体进行姿态解读；所述 环境感知传感器单元采用多传感器信息融合技术对感知回来的数据进行处理，通过主 控制单元进行反馈控制。

所述电源供电单元用于为主控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机 交互单元、环境感知传感器单元和医疗检测单元供电，其包括充电底座、蓄电池充电 接口、蓄电池、电压变换模块；所述蓄电池充电接口、蓄电池和电压变换模块集成到 机器人本体内，所述充电底座固定在室内；在机器人工作时，所述电压变换模块将蓄 电池提供的电压转换成主控制单元、运动控制单元、双目视觉捕捉单元、人机交互单 元、环境感知传感器单元和医疗检测单元所需要的电压，当蓄电池电量低于设定的阈 值时，即蓄电池电量过低时，机器人通过环境感知传感器单元自动回到充电底座处进 行充电。

如图3所示，所述血氧饱和度检测装置包括血氧传感器、集成模拟前端、混合信 号微控制器、蓝牙模块、指示灯模块和电源模块；所述血氧传感器与集成模拟前端相 连，并由集成模拟前端控制，当用户掌心与机器人本体的掌心贴合后，安装在机器人 本体的掌心正面的血氧饱和度检测装置内的血氧传感器能够快速识别用户手掌并被迅 速唤醒，驱动集成模拟前端控制血氧传感器的LED灯发光；所述集成模拟前端通过SPI 与混合信号微控制器相连；所述蓝牙模块通过UART与混合信号微控制器相连，该蓝 牙模块用于与外部设备连接；所述混合信号微处理器通过通用设备接口和串口通信设 备与顶层各功能单元相连，通过控制指令的收发进而控制每个功能单元的工作方式； 所述电源模块用于为血氧传感器、集成模拟前端、混合信号微控制器、蓝牙模块、指 示灯模块供电；所述指示灯模块与混合信号微控制器相连，用于显示机器人处于血氧 饱和度检测的功能状态。

如图4所示，本实施例采用反射法检测血氧饱和度，所述血氧传感器由LED灯1 和接收头2组成，根据光的散射理论，光波在通过人体组织(皮肤3、皮下组织4)时 除了被吸收以外，还会出现另一种现象，即散射；由于人体组织是非均匀分布的，光 在组织内并不能严格的按照直线传播，例如在遇到微静脉5、微动脉6时会发生强烈的 散射现象，其中一部分光经过多次散射以后回到入射表面，宏观上表现为反射光；通 过检测这束光的光强来进行血氧饱和度的检测。

如图5所述，本实施例的血氧饱和度检测装置7安装在机器人本体的掌心8正面， 与用户皮肤接触，机器人本体的掌心8与用户掌心贴合即可快速唤醒血氧饱和度检测 装置7中的血氧传感器，进行具有良好交互性能下的血氧饱和度信息采集。

所述集成模拟前端包括多导联选择电路、威尔逊校准电路、滤波电路、AD转换电 路和SPI通讯接口，能够驱动和控制血氧传感器的LED灯发光，从而采集人体的血氧 数据，进而对血氧传感器采集回来的数据进行预处理，通过SPI将数据传输给混合信 号微控制器。

所述混合信号微控制器选用MSP430FR5739微控制器，该微控制器为超低功耗型， 用于对集成模拟前端预处理后的信号做进一步的处理，即进行中值滤波运算、滑动平 均运算和LMS运算，从而实现对来自集成模拟前端的数字信号消除孤立的噪声点，低 通滤波和自适应滤波，得到平滑的数字信号分布，并进一步采用运动补偿算法去除运 动过程中产生的运动伪差。

如图6所示，所述蓝牙模块采用低功耗蓝牙标准V4.0设备，既能保证高速传输， 又能解决功耗过大的问题，其包括主控制模块、射频核心模块、通用外围设备接口模 块和传感器接口模块；所述主控制模块用于接收、存储混合信号微控制器传来的信号， 并在信号需要向外传输时，将信号传入射频核心模块；所述射频核心模块用于在信号 需要向外传输时，接收主控制模块传入的信号，并将信号由天线向外传输；所述通用 外围设备接口模块包括导线相连的I²C、UART和SPI；所述主控制模块分别通过导线 与射频核心模块、通用外围设备接口模块和传感器接口模块相连。

如图7所示，本实施例的健康服务机器人血氧饱和度检测工作流程如下：

用户通过掌心与机器人本体的掌心贴合，可快速唤醒医疗检测单元的血氧饱和度 检测装置工作，系统初始化，血氧饱和度检测功能开启，血氧饱和度检测功能开启后 驱动集成模拟前端控制血氧传感器中LED灯发射循环光波，若满足定时条件则集成模 拟前端对采集的血氧饱和度信号进行滤波、光路分离、自动增益、AD转换，否则返回 继续执行LED发射循环，处理后的信号进入混合信号微控制器进行存储、运算，运算 结果被发送至蓝牙模块进行数据发送，并将血氧容积波波形、血氧饱和度数值、心率 数值和相关的健康指导建议显示在机器人本体胸前的平板电脑，此时控制系统结束任 务。

如图8所示，本实施例的血氧饱和度检测装置中混合信号微控制器工作流程如下：

当接收到来自集成模拟前端的数字信号后，依次对集成模拟前端预处理后的信号 进行中值滤波运算、滑动平均运算和LMS运算，从而实现对来自集成模拟前端的数字 信号消除孤立的噪声点，低通滤波和自适应滤波，得到平滑的数字信号分布，并进一 步采用运动补偿算法去除运动过程中产生的运动伪差；若已接收全部信号，则系统结 束任务，否则继续接收由集成模拟前端传输的数字信号。

上述实施例中的移动终端可以是智能手机、PDA手持终端等。

综上所述，本发明的健康服务机器人可以实现血氧饱和度检测，结合机器人移动 技术和医疗检测技术，能够很大程度提高血氧饱和度检测装置的移动便携性能和交互 性，方便了用户随时随地进行无负荷的医疗检测，为用户带来更好的医疗服务和更简 便的操作体验。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。