专利名称：病房巡视服务机器人系统及其目标搜寻方法
技术领域：
本发明涉及的是一种病房巡视服务机器人系统及其目标搜寻方法，属于护理机器 人领域。
背景技术：
当前护理机器人的研究取得了极大的进步，其主要用来辅助护士完成一些相关的 护理活动，如药物运送等低智能水平的活动。病房巡视是护理工作中的重要环节，现阶段却 存在大量问题，因此，通过发展护理巡视机器人来解决护士护理质量与劳力负荷、精神压力 过重之间的矛盾是一个很有实际意义的课题，而该课题在国内却鲜有研究。机器人病房巡 视要完成的任务主要有病人信息验证、病人的状态监测、伤口部位查看、监测与治疗仪器 状态拍照、图像传送等。其利用机器人自身所带的摄像头，通过机器人和摄像头的控制，实 现病房环境下病人伤口、针头刺入部位、输液瓶、监护仪、引流袋等各种护士巡视的目标的 识别与定位，并对这些识别出的目标进行拍照并传输到护士站端的服务器，其关键是目标 的识别与定位、机器人控制和摄像头的控制。但现有的目标识别方法无法精确的对静止的 多目标进行识别，并且缺乏有效的视觉识别信息与运动控制结合方案，无法满足护理的需 要。中国发明专利申请公开说明书CN200910013650. 9，描述的人体的定位与跟踪算 法，其对象单一，特征容易提取，但当目标种类多样时，难以提取合适特征。中国发明专利申请公开说明书CN200810063440. 6，主要利用目标的特征，然后利 用粒子滤波来进行目标跟踪，其主要用于目标的跟踪，而非目标的发现；中国发明专利申请公开说明书CN201010M8283. 3，一种基于贝叶斯框架及LBP的 运动目标检测方法，用于视频中物体的运动信息进行目标检测，不适用于静态目标。目前仍缺乏有效对于病房巡视的系统，以及对于所需目标的有效搜寻方法。
发明内容
本发明针对现有病房巡视服务机器人在目标识别上的问题，提供一种病房巡视服 务机器人系统及其目标搜寻方法，它通过机器人的主动控制和视觉系统，完成病房环境下 的感兴趣目标的主动搜寻，从而实现机器人病房巡视，利用多种模式进行目标表示，并利用 目标的多模式表示来进行目标定位与搜寻。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种病房巡视服务机器人系统，它包括移动机器人，在所述移动机器人上设有 RFID天线，移动机器人顶部设有云台摄像头，在移动机器人前部则设有红外定位系统和激 光传感器；所述RFID天线与病房中各病床上的RFID标签相配合。所述红外定位系统由红外线发射/接收器与被动式红外标签组成；被动式红外标 签贴在病房天花板上，红外线发射/接收器安装在机器人平台顶端，当红外线发射/接收器 检测到被动式红外标签时，就通过串口将其相对于被动式红外标签的位姿和其被动式红外标签的ID传递给服务机器人；由于标签在世界坐标系中的位置已知，通过坐标变换机器人 就可获取自身在世界坐标系中的位姿，实现自定位。一种病房巡视服务机器人系统用目标搜寻方法，它的方法为1)在病床的床头处设有RFID标签，RFID标签记录病人的科室、病名、需要巡视的 信息、巡视信息相应的先验知识，机器人通过携带的RFID读写器，读取床头的RFID标签完 成病人信息验证，如读取信息与机器人预存信息有差别，则向服务器发出警报，由护理人员 判断是否为患者，如果是则继续为该患者护理；如果否，需要护理人员对当前患者信息进行 干预，并转入下一位患者；2)机器人进入病房后，通过与服务器的交互，获得当前病房的地图，机器人通过携 带的RFID读写器进行粗定位，即根据是否读到RFID标签，判断机器人与目标物是否接近， 如果没有，则按照常规的路径跟踪策略引导机器人行走；如果收到，则说明在大区域内存在 目标，启动基于贝叶斯模型的运动控制模型控制机器人完成目标的搜寻；3)对于输液瓶或输液袋图像，通过标记物分割结果控制机器人的运动，利用坐标 变换得到目标的粗略位置，然后利用主动视觉进行候选区域筛选，对筛选出的区域利用特 征匹配分割输液瓶或输液袋图像，以分割出的目标为基准，进行摄像头的调整获取该类设 备可识别图片；对于位置不变设备，采用模板匹配控制机器人运动，并可以获得目标的大致位置， 在该位置内，利用主动视觉进行候选区域筛选，对筛选出的区域利用直方图进行匹配，以分 割该类设备，以分割出的该类设备为基准，进行摄像头调整获取该类设备可识别图片；对于针头、伤口及人体面部图像，则采用肤色分割方式控制机器人运动，并以肤色 分割的结果结合人体结构信息调整摄像头获取位姿较好图片；将上述图片上传至服务器，供护理人员查看；4)在完成预设护理工作后，转入下一位病人的护理。所述步骤幻中，采用基于贝叶斯模型的运动控制模型，搜寻目标图像，其具体过 程为将机器人的控制量用R= (xr,yr,zr)表示，其中\，l分别表示两个方向上的偏移 量，％表示朝向角的偏移量，摄像头的控制量用C = (Cp, Ct, Cz)，分别表示的是Pan，Tilt, hom的控制量，总的控制量表示为Z= (R，C)；在读取RFID之后，根据巡视任务设置云台摄 像头的控制量，在该条件下进行机器人运动控制，从而进行目标图像的获取，用0来表示目 标图像，再利用目标搜索机制来控制云台摄像头的运动，从而得到最终的目标图片。将控制量简化为Z = R，而机器人的运动同时要受到规划好的路径和机器人当前 位姿的影响，按照统计论的观点，求解控制规律，即求解P(R|0，Μ, Τ)，也就是在出现目标的 情况下，在规划路径和机器人位姿约束下控制率的概率，其中，0表示目标图像，M表示机器 人的当前位姿，T表示规划的路径；
权利要求
1.一种病房巡视服务机器人系统，其特征是，它包括移动机器人，在所述移动机器人上 设有RFID天线，移动机器人顶部设有云台摄像头，在移动机器人前部则设有红外定位系统 和激光传感器；所述RFID天线与病房中各病床上的RFID标签相配合。
2.如权利要求1所述的病房巡视服务机器人系统，其特征是，所述红外定位系统由红 外线发射/接收器与被动式红外标签组成；被动式红外标签贴在病房天花板上，红外线发 射/接收器安装在机器人平台顶端，当红外线发射/接收器检测到被动式红外标签时，就通 过串口将其相对于被动式红外标签的位姿和其被动式红外标签的ID传递给服务机器人； 由于标签在世界坐标系中的位置已知，通过坐标变换机器人就可获取自身在世界坐标系中 的位姿，实现自定位。
3.一种采用权利要求1所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是， 它的方法为1)在病床的床头处设有RFID标签，RFID标签记录病人的科室、病名、需要巡视的信息、 巡视信息相应的先验知识，机器人通过携带的RFID读写器，读取床头的RFID标签完成病人 信息验证，如读取信息与机器人预存信息有差别，则向服务器发出警报，由护理人员判断是 否为患者，如果是则继续为该患者护理；如果否，则转入下一位患者；2)机器人进入病房后，通过与服务器的交互，获得当前病房的地图，机器人通过携带 的RFID读写器进行粗定位，即根据是否读到RFID标签，判断机器人与目标物是否接近，如 果没有，则按照常规的路径跟踪策略引导机器人行走；如果收到，则说明在大区域内存在目 标，启动基于贝叶斯模型的运动控制模型控制机器人完成目标的搜寻；3)对于输液瓶或输液袋图像，通过标记物分割，利用坐标变换得到目标的粗略位置，然 后利用主动视觉进行候选区域筛选，对筛选出的区域利用特征匹配分割输液瓶或输液袋图 像，以分割出的目标为基准，进行摄像头的调整获取该类设备可识别图片；对于位置不变设备，采用模板匹配可以获得目标的大致位置，在该位置内，利用主动视 觉进行候选区域筛选，对筛选出的区域利用直方图进行匹配，以分割该类设备，以分割出的 该类设备为基准，进行摄像头调整获取该类设备可识别图片；对于针头、伤口及人体面部图像，则采用肤色分割方式，调整摄像头获取位姿较好图片；将上述图片上传至服务器，供护理人员查看；4)在完成预设护理工作后，转入下一位病人的护理。
4.如权利要求3所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是，所述步 骤2)中，采用基于贝叶斯模型的运动控制模型，利用分区控制模型进行摄像头的控制，搜 寻目标图像，其具体过程为将机器人的控制量用R = (xr, yr, zr)表示，其中^，yr分别表示两个方向上的偏移量， zr表示朝向角的偏移量，摄像头的控制量用C = (Cp, Ct, Cz)，分别表示的是Pan，Tilt, Zoom 的控制量，总的控制量表示为Z= (R，C)；在读取RFID之后，根据巡视任务设置云台摄像头 的控制量，在该条件下进行机器人运动控制，从而进行目标图像的获取，用0来表示目标图 像，再利用目标搜索机制来控制云台摄像头的运动，从而得到最终的目标图片。
5.如权利要求4所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是，将控制 量简化为Z = R，而机器人的运动同时要受到规划好的路径和机器人当前位姿的影响，按照统计论的观点，求解控制规律，即求解P(R|0，Μ, Τ)，也就是在出现目标的情况下，在规划路 径和机器人位姿约束下控制率的概率，其中，0表示目标图像，M表示机器人的当前位姿，T 表示规划的路径；
6.如权利要求3所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是，所述步 骤3)中，基于模板匹配的目标分割方法为由于该类目标的位置相对固定，因此，通过预先 保存的模板图像的出现来代表目标出现的概率，因此P(0|I) = sim(Itemp, I)(9)其中，Itemp为保存的模板图像，I为当前图像，Simdtefflp, I)是两幅图像的相似性。
7.如权利要求3所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是，所述步 骤3)中，所述输液瓶或输液袋图像识别，采用颜色信息明显的人工标记物的方法来确定输 液瓶的位置，采用特征来代替图像从而完成相似性度量P(OlI) = Sim(Itemp，I) = Sim(Vtemp, V)(10)其中Vtaiip为保存的模板特征，V为当前特征。由于机器人在搜寻过程中，不止要找到目 标，同时需要确定目标的尺寸和位姿；因此，采用颜色特征进行目标分割，分割以后计算其 外接矩形W，
8.如权利要求7所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是，设标记 物的质心位置与输液瓶的质心位置距离分别为WD、HD，标记物和输液瓶的两个矩形框的长 宽HL、WL, HO、W0，且标记物与输液瓶足够近，存在近似的比例关系HL/HD HL' /HD'， 其中HL'和HD'为待搜索图像中的标志物高度和标志物中心与输液瓶中心的距离，HL、 HD, HL'已知，HD'可求，且标记物的中心可求，从而可以求出输液瓶的大致位置P和尺度 Scale ；(1)标记物定位完成标记物的分割后，对分割出的区域进行评价，滤除那些面积小的噪声点，得到待候 选的目标区域；利用Hu的7个不变矩来作为目标的形状特征，对分割出的区域计算其Hu不 变矩，按照最近邻的方法确定分割出的区域即为标记物区域；将标记物的长度和宽度作为测量值，将其模型假设为长度和宽度均勻变化，利用 Kalman滤波进行噪声的滤除；(2)基于主动视觉的输液瓶定位由于标记物距离输液瓶较近，标记物定位后得到的输液瓶的位置和尺度，在此基础上 以该位置P为中心，以2Scal钟2kale为邻域，进行输液瓶的精定位；首先计算图像的特征 图，采用颜色特征图和方向特征图，记为M [η]2 — R，计算其显著性度量函数，Α:[η]2 — R， 即根据其特征图计算其响应函数；以M(i，j)代表在点(i，j)处的特征值，定义相似度函数
9.如权利要求3所述的病房巡视服务机器人系统的目标搜寻方法，其特征是，所述步骤3)中，对于针头或人面部表情，采用肤色分割方法，利用现有常用的颜色空间分别进行 肤色分割，并用其综合来完成最终的肤色分割；分别采用RGB、HSV和YCrCb进行肤色分割； 其中，RGB子空间下肤色模型如式(12)
全文摘要
本发明涉及一种病房巡视服务机器人系统及其目标搜寻方法。它首次提出利用贝叶斯理论融合多模式目标表示与先验知识进行目标搜寻，并提出利用主动视觉、特征提取与特征验证相结合的方法进行病房复杂环境下目标的主动检索机制。它利用机器人的本体视觉与RFID信息，实现主动式的机器人病房巡视。机器人定位系统由StarGazer系统利用Kalman滤波得到；机器人控制系统利用贝叶斯理论，通过目标的多模式表示来表示目标，并融合先验知识进行机器人控制；控制机器人位姿的同时，得到目标位置，利用主动视觉和融合特征的方法进行目标定位；利用分区逻辑的方法进行摄像头控制，拍摄到图片后传送到服务器端显示并存储。
文档编号A61B19/00GK102103663SQ20111004635
公开日2011年6月22日 申请日期2011年2月26日 优先权日2011年2月26日
发明者周风余, 姜海涛, 尹建芹, 张庆宾, 杨阳, 田国会, 闫云章, 韩旭, 高鑫 申请人:山东大学