專利名稱：病房巡視服務機器人系統及其目標搜尋方法
技術領域：
本發明涉及的是一種病房巡視服務機器人系統及其目標搜尋方法，屬于護理機器 人領域。
背景技術：
當前護理機器人的研究取得了極大的進步，其主要用來輔助護士完成一些相關的 護理活動，如藥物運送等低智能水平的活動。病房巡視是護理工作中的重要環節，現階段卻 存在大量問題，因此，通過發展護理巡視機器人來解決護士護理質量與勞力負荷、精神壓力 過重之間的矛盾是一個很有實際意義的課題，而該課題在國內卻鮮有研究。機器人病房巡 視要完成的任務主要有病人信息驗證、病人的狀態監測、傷口部位查看、監測與治療儀器 狀態拍照、圖像傳送等。其利用機器人自身所帶的攝像頭，通過機器人和攝像頭的控制，實 現病房環境下病人傷口、針頭刺入部位、輸液瓶、監護儀、引流袋等各種護士巡視的目標的 識別與定位，并對這些識別出的目標進行拍照并傳輸到護士站端的服務器，其關鍵是目標 的識別與定位、機器人控制和攝像頭的控制。但現有的目標識別方法無法精確的對靜止的 多目標進行識別，并且缺乏有效的視覺識別信息與運動控制結合方案，無法滿足護理的需 要。中國發明專利申請公開說明書CN200910013650. 9，描述的人體的定位與跟蹤算 法，其對象單一，特征容易提取，但當目標種類多樣時，難以提取合適特征。中國發明專利申請公開說明書CN200810063440. 6，主要利用目標的特征，然后利 用粒子濾波來進行目標跟蹤，其主要用于目標的跟蹤，而非目標的發現；中國發明專利申請公開說明書CN201010M8283. 3，一種基于貝葉斯框架及LBP的 運動目標檢測方法，用于視頻中物體的運動信息進行目標檢測，不適用于靜態目標。目前仍缺乏有效對于病房巡視的系統，以及對于所需目標的有效搜尋方法。
發明內容
本發明針對現有病房巡視服務機器人在目標識別上的問題，提供一種病房巡視服 務機器人系統及其目標搜尋方法，它通過機器人的主動控制和視覺系統，完成病房環境下 的感興趣目標的主動搜尋，從而實現機器人病房巡視，利用多種模式進行目標表示，并利用 目標的多模式表示來進行目標定位與搜尋。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種病房巡視服務機器人系統，它包括移動機器人，在所述移動機器人上設有 RFID天線，移動機器人頂部設有云臺攝像頭，在移動機器人前部則設有紅外定位系統和激 光傳感器；所述RFID天線與病房中各病床上的RFID標簽相配合。所述紅外定位系統由紅外線發射/接收器與被動式紅外標簽組成；被動式紅外標 簽貼在病房天花板上，紅外線發射/接收器安裝在機器人平臺頂端，當紅外線發射/接收器 檢測到被動式紅外標簽時，就通過串口將其相對于被動式紅外標簽的位姿和其被動式紅外標簽的ID傳遞給服務機器人；由于標簽在世界坐標系中的位置已知，通過坐標變換機器人 就可獲取自身在世界坐標系中的位姿，實現自定位。一種病房巡視服務機器人系統用目標搜尋方法，它的方法為1)在病床的床頭處設有RFID標簽，RFID標簽記錄病人的科室、病名、需要巡視的 信息、巡視信息相應的先驗知識，機器人通過攜帶的RFID讀寫器，讀取床頭的RFID標簽完 成病人信息驗證，如讀取信息與機器人預存信息有差別，則向服務器發出警報，由護理人員 判斷是否為患者，如果是則繼續為該患者護理；如果否，需要護理人員對當前患者信息進行 干預，并轉入下一位患者；2)機器人進入病房后，通過與服務器的交互，獲得當前病房的地圖，機器人通過攜 帶的RFID讀寫器進行粗定位，即根據是否讀到RFID標簽，判斷機器人與目標物是否接近， 如果沒有，則按照常規的路徑跟蹤策略引導機器人行走；如果收到，則說明在大區域內存在 目標，啟動基于貝葉斯模型的運動控制模型控制機器人完成目標的搜尋；3)對于輸液瓶或輸液袋圖像，通過標記物分割結果控制機器人的運動，利用坐標 變換得到目標的粗略位置，然后利用主動視覺進行候選區域篩選，對篩選出的區域利用特 征匹配分割輸液瓶或輸液袋圖像，以分割出的目標為基準，進行攝像頭的調整獲取該類設 備可識別圖片；對于位置不變設備，采用模板匹配控制機器人運動，并可以獲得目標的大致位置， 在該位置內，利用主動視覺進行候選區域篩選，對篩選出的區域利用直方圖進行匹配，以分 割該類設備，以分割出的該類設備為基準，進行攝像頭調整獲取該類設備可識別圖片；對于針頭、傷口及人體面部圖像，則采用膚色分割方式控制機器人運動，并以膚色 分割的結果結合人體結構信息調整攝像頭獲取位姿較好圖片；將上述圖片上傳至服務器，供護理人員查看；4)在完成預設護理工作后，轉入下一位病人的護理。所述步驟幻中，采用基于貝葉斯模型的運動控制模型，搜尋目標圖像，其具體過 程為將機器人的控制量用R= (xr,yr,zr)表示，其中\，l分別表示兩個方向上的偏移 量，％表示朝向角的偏移量，攝像頭的控制量用C = (Cp, Ct, Cz)，分別表示的是Pan，Tilt, hom的控制量，總的控制量表示為Z= (R，C)；在讀取RFID之后，根據巡視任務設置云臺攝 像頭的控制量，在該條件下進行機器人運動控制，從而進行目標圖像的獲取，用0來表示目 標圖像，再利用目標搜索機制來控制云臺攝像頭的運動，從而得到最終的目標圖片。將控制量簡化為Z = R，而機器人的運動同時要受到規劃好的路徑和機器人當前 位姿的影響，按照統計論的觀點，求解控制規律，即求解P(R|0，Μ, Τ)，也就是在出現目標的 情況下，在規劃路徑和機器人位姿約束下控制率的概率，其中，0表示目標圖像，M表示機器 人的當前位姿，T表示規劃的路徑；
權利要求
1.一種病房巡視服務機器人系統，其特征是，它包括移動機器人，在所述移動機器人上 設有RFID天線，移動機器人頂部設有云臺攝像頭，在移動機器人前部則設有紅外定位系統 和激光傳感器；所述RFID天線與病房中各病床上的RFID標簽相配合。
2.如權利要求1所述的病房巡視服務機器人系統，其特征是，所述紅外定位系統由紅 外線發射/接收器與被動式紅外標簽組成；被動式紅外標簽貼在病房天花板上，紅外線發 射/接收器安裝在機器人平臺頂端，當紅外線發射/接收器檢測到被動式紅外標簽時，就通 過串口將其相對于被動式紅外標簽的位姿和其被動式紅外標簽的ID傳遞給服務機器人； 由于標簽在世界坐標系中的位置已知，通過坐標變換機器人就可獲取自身在世界坐標系中 的位姿，實現自定位。
3.一種采用權利要求1所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是， 它的方法為1)在病床的床頭處設有RFID標簽，RFID標簽記錄病人的科室、病名、需要巡視的信息、 巡視信息相應的先驗知識，機器人通過攜帶的RFID讀寫器，讀取床頭的RFID標簽完成病人 信息驗證，如讀取信息與機器人預存信息有差別，則向服務器發出警報，由護理人員判斷是 否為患者，如果是則繼續為該患者護理；如果否，則轉入下一位患者；2)機器人進入病房后，通過與服務器的交互，獲得當前病房的地圖，機器人通過攜帶 的RFID讀寫器進行粗定位，即根據是否讀到RFID標簽，判斷機器人與目標物是否接近，如 果沒有，則按照常規的路徑跟蹤策略引導機器人行走；如果收到，則說明在大區域內存在目 標，啟動基于貝葉斯模型的運動控制模型控制機器人完成目標的搜尋；3)對于輸液瓶或輸液袋圖像，通過標記物分割，利用坐標變換得到目標的粗略位置，然 后利用主動視覺進行候選區域篩選，對篩選出的區域利用特征匹配分割輸液瓶或輸液袋圖 像，以分割出的目標為基準，進行攝像頭的調整獲取該類設備可識別圖片；對于位置不變設備，采用模板匹配可以獲得目標的大致位置，在該位置內，利用主動視 覺進行候選區域篩選，對篩選出的區域利用直方圖進行匹配，以分割該類設備，以分割出的 該類設備為基準，進行攝像頭調整獲取該類設備可識別圖片；對于針頭、傷口及人體面部圖像，則采用膚色分割方式，調整攝像頭獲取位姿較好圖片；將上述圖片上傳至服務器，供護理人員查看；4)在完成預設護理工作后，轉入下一位病人的護理。
4.如權利要求3所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是，所述步 驟2)中，采用基于貝葉斯模型的運動控制模型，利用分區控制模型進行攝像頭的控制，搜 尋目標圖像，其具體過程為將機器人的控制量用R = (xr, yr, zr)表示，其中^，yr分別表示兩個方向上的偏移量， zr表示朝向角的偏移量，攝像頭的控制量用C = (Cp, Ct, Cz)，分別表示的是Pan，Tilt, Zoom 的控制量，總的控制量表示為Z= (R，C)；在讀取RFID之后，根據巡視任務設置云臺攝像頭 的控制量，在該條件下進行機器人運動控制，從而進行目標圖像的獲取，用0來表示目標圖 像，再利用目標搜索機制來控制云臺攝像頭的運動，從而得到最終的目標圖片。
5.如權利要求4所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是，將控制 量簡化為Z = R，而機器人的運動同時要受到規劃好的路徑和機器人當前位姿的影響，按照統計論的觀點，求解控制規律，即求解P(R|0，Μ, Τ)，也就是在出現目標的情況下，在規劃路 徑和機器人位姿約束下控制率的概率，其中，0表示目標圖像，M表示機器人的當前位姿，T 表示規劃的路徑；
6.如權利要求3所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是，所述步 驟3)中，基于模板匹配的目標分割方法為由于該類目標的位置相對固定，因此，通過預先 保存的模板圖像的出現來代表目標出現的概率，因此P(0|I) = sim(Itemp, I)(9)其中，Itemp為保存的模板圖像，I為當前圖像，Simdtefflp, I)是兩幅圖像的相似性。
7.如權利要求3所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是，所述步 驟3)中，所述輸液瓶或輸液袋圖像識別，采用顏色信息明顯的人工標記物的方法來確定輸 液瓶的位置，采用特征來代替圖像從而完成相似性度量P(OlI) = Sim(Itemp，I) = Sim(Vtemp, V)(10)其中Vtaiip為保存的模板特征，V為當前特征。由于機器人在搜尋過程中，不止要找到目 標，同時需要確定目標的尺寸和位姿；因此，采用顏色特征進行目標分割，分割以后計算其 外接矩形W，
8.如權利要求7所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是，設標記 物的質心位置與輸液瓶的質心位置距離分別為WD、HD，標記物和輸液瓶的兩個矩形框的長 寬HL、WL, HO、W0，且標記物與輸液瓶足夠近，存在近似的比例關系HL/HD HL' /HD'， 其中HL'和HD'為待搜索圖像中的標志物高度和標志物中心與輸液瓶中心的距離，HL、 HD, HL'已知，HD'可求，且標記物的中心可求，從而可以求出輸液瓶的大致位置P和尺度 Scale ；(1)標記物定位完成標記物的分割后，對分割出的區域進行評價，濾除那些面積小的噪聲點，得到待候 選的目標區域；利用Hu的7個不變矩來作為目標的形狀特征，對分割出的區域計算其Hu不 變矩，按照最近鄰的方法確定分割出的區域即為標記物區域；將標記物的長度和寬度作為測量值，將其模型假設為長度和寬度均勻變化，利用 Kalman濾波進行噪聲的濾除；(2)基于主動視覺的輸液瓶定位由于標記物距離輸液瓶較近，標記物定位后得到的輸液瓶的位置和尺度，在此基礎上 以該位置P為中心，以2Scal鐘2kale為鄰域，進行輸液瓶的精定位；首先計算圖像的特征 圖，采用顏色特征圖和方向特征圖，記為M [η]2 — R，計算其顯著性度量函數，Α:[η]2 — R， 即根據其特征圖計算其響應函數；以M(i，j)代表在點(i，j)處的特征值，定義相似度函數
9.如權利要求3所述的病房巡視服務機器人系統的目標搜尋方法，其特征是，所述步驟3)中，對于針頭或人面部表情，采用膚色分割方法，利用現有常用的顏色空間分別進行 膚色分割，并用其綜合來完成最終的膚色分割；分別采用RGB、HSV和YCrCb進行膚色分割； 其中，RGB子空間下膚色模型如式(12)
全文摘要
本發明涉及一種病房巡視服務機器人系統及其目標搜尋方法。它首次提出利用貝葉斯理論融合多模式目標表示與先驗知識進行目標搜尋，并提出利用主動視覺、特征提取與特征驗證相結合的方法進行病房復雜環境下目標的主動檢索機制。它利用機器人的本體視覺與RFID信息，實現主動式的機器人病房巡視。機器人定位系統由StarGazer系統利用Kalman濾波得到；機器人控制系統利用貝葉斯理論，通過目標的多模式表示來表示目標，并融合先驗知識進行機器人控制；控制機器人位姿的同時，得到目標位置，利用主動視覺和融合特征的方法進行目標定位；利用分區邏輯的方法進行攝像頭控制，拍攝到圖片后傳送到服務器端顯示并存儲。
文檔編號A61B19/00GK102103663SQ20111004635
公開日2011年6月22日 申請日期2011年2月26日 優先權日2011年2月26日
發明者周風余, 姜海濤, 尹建芹, 張慶賓, 楊陽, 田國會, 閆云章, 韓旭, 高鑫 申請人:山東大學