本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种面向独居老人的室内服务机器人及运行方法。
背景技术：
随着老年型年龄结构初步形成，我国已经开始步入老龄化社会。且当今社会独生子女较多,工作压力也不断加大,导致对老年人的关心和陪护时间严重不足。“空巢”现象日趋突出，空巢老人家庭逐年增加。如何更好的照顾好空巢老人，方便老人健康生活成为当前乃至于未来我们必须面对的社会难题。
目前国内的服务机器人体积过大、运动不灵活、结构不合理等缺点也很明显，且针对服务于老年人的机器人功能单一，仍然需要进一步深入改进。
技术实现要素：
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种面向独居老人的室内服务机器人及运行方法，能有效保障老人健康与安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向独居老人的室内服务机器人，包括车体7，所述车体7后方设置有摄像头模块1，车体7内部安装有主控制器4，位于车体7上放置有药箱5，所述药箱5通过药箱控制电机6控制，车体7下端两侧前后分别设置有车轮8，所述车轮8通过驱动电机11驱动，所述车体7前方设置有语音模块9和通信模块10。
所述摄像头模块1用于获取老人的图像信息，然后将图像传输给主控制器4，主控制器4的输出端分别与药箱控制电机6、语音模块9、通信模块10、驱动电机11相连，药箱控制电机6用于控制药箱的开关状态，驱动电机11用于驱动设置在机器人底部的车轮8日常移动，主控制器4连接电源模块12，电源模块12为整个装置提供电源。
所述的摄像头模块1为rgb双目摄像头，型号为ov5647，用于采集视频，并发送给主控制器4。
所述的主控制器4为raspberrypi，型号为4b，用于缓存和处理摄像头模块传输过来的视频信息，以及对药箱控制电机6、驱动电机11的控制。
所述的语音模块9为非特定人语音模别开发板，型号为ys-ldv7，用于对语音进行识别处理。
所述的通信模块10为无线通信模块，型号为atk-sim800c，其包括3g/4g通信模块，sim卡可插入该模块内部卡槽。
所述的主控制器4上连接有语音播放模块(型号为isd1700)和蜂鸣器，语音播放模块用于播放录音、提醒老人吃药，蜂鸣器用于在异常情况下进行报警警示。
所述机器人车体7上设置有usb接口，所述usb接口具有数据传输功能和充电功能。
所述的电源模块12为可充电的蓄电池，可对机器人进行供电。
所述摄像头模块1设置在可调节伸缩杆2上，摄像头模块1与可调节伸缩杆2连接处设置有舵机3。
一种面向独居老人的室内服务机器人的运行方法，包括医疗提醒系统、远程监控系统和摔倒检测系统
所述医疗提醒系统具体为：
以树莓派作为主控制器4，利用ds12c887时钟芯片提供时间信息，在系统启用之前，按照医嘱将需要服用的药品按次放入药箱中，并设置好服药时间范围，由于机器人内部含有3个药箱，可同时存放3种药物，因此老人可以根据led灯的闪烁情况进行区分该时间段服药的种类，当到达预设的服药时间时，机器人通过摄像头模块1搜索老人位置，并移动至老人身边，主控制器4通过控制语音模块9播放录音信息，通过语音模块9播放录制好的语音信息提醒老人服药，老人按下led灯闪烁的药箱上的取药按键，主控制器4驱动药箱控制电机6转动，进而控制该药箱5开启，老人取用即可；
若老人未曾按下取药键，则利用语音模块9的语音播放每隔5分钟持续发出声音提醒老人服药，在四次提醒结束时，老人仍未服药，则可通过通信模块10向家属发送异常情况信息，家属可通过视频监控查看老人当前状况，同时为满足患者自主服药的需要，系统在预先设定的服药时间前20分钟内均可自主取药，药物在前20分钟内取出后，系统在预定时间将不会发出声音提醒服药；
所述远程监控系统具体为：
由于老人在室内会存在移动情况，因此当摄像头模块1检测到老人有运动意图时，机器人能通过可伸缩调节杆2、舵机3自动调整摄像头模块1的方位，以保证老人处于监控图像中心位置，当调整伸缩杆2、舵机3无法达到该要求时，机器人可以通过自身移动使老人时刻处于自己监控图像中心位置，家属可随时通过手机app实现远程监控功能，实时查看摄像头模块1拍摄到的视频信息，同时可利用大容量硬盘对视频信息进行保存；
所述摔倒检测系统具体为：
在对摄像头模块1中的视频图像进行预处理后，对于发生的异常行为，利用人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio以及人体质心变化的速度v特征参数对摔倒行为进行检测；
(1)判断运动目标是否处于站立或正常行走的状态；
先通过人体质心到水平面距离h这一特征判断运动目标是否处于站立或正常行走的状态，将人在行走过程中人体质心到水平面的距离用1表示，则人在下蹲时人体质心到水平面的距离一般在1/3--3/5之间；人在摔倒时人体质心到水平面的距离一般在1/4--2/5之间，设置阈值ht＝3/5h人来区分人是否处于正常行走或站立状态，当人体质心到水平面的距离h大于设定阈值ht时，认为人处于站立或正常行走的状态，即无摔倒事件发生，而人体质心到水平面的距离h小于设定阈值ht时，则可能有摔倒事件发生；
(2)区分类似坐下、下蹲等日常活动行为与摔倒行为；
在完成上一步判断之后，此时人体质心到水平面的距离h小于设定阈值ht，当人处于行走、下蹲、坐下等类似日常活动行为时，其人体宽高比是小于1的；而当人处于摔倒状态时，其人体宽高比是大于1的，因此可设定阈值ratiot＝1，即认为人体宽高比ratio大于设定阈值ratiot时，有摔倒事件发生，而ratio小于设定阈值ratiot时，无摔倒事件发生；
(3)用人体质心变化的速度v最终判定是否有摔倒事件发生；
由于与平躺类似的一些日常活动行为其人体宽高比也是大于1的，此时这些类似平躺日常活动行为会被误判为摔倒行为，因此可用人体质心变化的速度v来区分日常活动行为和摔倒行为，由于人体质心到水平面的距离h是恒定的，在摔倒事件发生时，可以利用摔倒过程中所用时间t来确定人体质心变化的速度v，设定阈值vt＝1.35m/s，即当人体质心变化的速度v＞vt时，最终判定有摔倒事件发生；
检测系统需要进一步判定摔倒的严重程度，即利用语音模块9的语音交互功能来询问老人是否需要救助，当回答需要或者两次询问无应答时，启动救助功能，此时通信模块10向家属及120急救中心发送求助短信，家属在收到短信后，可利用手机app查摄像头模块1拍摄到的老人当前状况，并调取硬盘内缓存的监控录像，在救护车到达之前与老人实时沟通。
本发明的有益效果：
该服务机器人具备医疗提醒、远程监控、摔倒检测等功能，能有效保障老人健康与安全。可根据医嘱灵活调整用药时间及用量。
利用摄像头完成对老人的定位，可根据老人的位置移动实时调整自身位置，有效解决了固定摄像头摄像死角的问题。
本发明配备了大容量硬盘，可缓存多日监控数据，方便查看。利用该监控系统，家属可实时远程与老人沟通，不需老人携带其它用于检测是否摔倒的传感器，只需通过摄像头来高效准确的判断。
在检测到老人摔倒时，能利用语音交互功再次确认是否存在摔倒情况，避免误判。在确实摔倒发生后，可以发送求助信息，并利用缓存录像查看摔倒原因，避免再次发生同类情况。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明左视图。
图3为本发明的主视图。
图4为摔倒检测系统的工作流程图。
图中：1-摄像头模块，2-可调节伸缩杆，3-舵机，4-主控制器，5-药箱，6-药箱控制电机，7-车体，8-车轮，9-语音模块，10-通信模块，11-驱动电机，12-电源模块
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1图2图3所示：服务机器人主要包括摄像头模块1(使用的是型号为ov5647的rgb双目摄像头)、可调节伸缩杆2、舵机3、主控制器4(使用的是raspberrypi4b)、药箱5、药箱控制电机6(使用的是my-68)、车体7、车轮8、语音模块9(使用的是ys-ldv7)、通信模块10(使用的是atk-sim800c)、驱动电机11(使用的是my-1016)、电源模块12。
其中，机器人通过可调节伸缩杆2来根据不同用户的身高特征调整摄像头模块1的高度，通过舵机3调整摄像头模块1的拍摄角度。通过摄像头模块1来获取用户的实时图像信息，然后将图像传输给控制器4，利用控制器4对图像分析处理，提取利用人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio以及人体质心变化的速度v这三个特征参数，用来区分衡量用户是否发生摔倒行为。当判定老人已经摔倒并需要救助时，通过无线通信模块及时将求助信息发送至家属或医院的接收端。通过药箱控制电机6完成对药箱开关状态的控制，通过驱动电机11来执行控制器发送过来的运动信息。为了更详细的对服务机器人进行说明，下面从具体硬件系统结构进行阐述。
可伸缩调节杆2用于调整摄像头模块1的高度，舵机3用于调整摄像头模块1的角度，摄像头模块1为rgb双目摄像头，用户采集视频图像信息，并发送给主控制器4；主控制器4为树莓派，用于处理摄像头模块1传输过来的视频信息，以及对药箱控制电机6、车轮驱动电机11的控制；报警模块是利用蜂鸣器进行报警警示作用；语音模块9负责完成与用户的语音交互；通信模块10在装入sim卡后，能够完成与外界的通信。
因老年人记忆力衰退，且大多数老年人患有慢性病需常年服药。针对该问题通过医疗提醒功能来提醒老人定时吃药，避免因忘记服药导致身体不适。
利用所述的摄像头模块1对老人所处室内环境进行实时监控，同时配备大容量硬盘，可缓存大量录像资料。
利用该服务机器人家属可与老人进行实时沟通，及时了解老人需求。
当摄像头模块1在监控过程中识别到对象发生摔倒时，可以通过特征参数来区分判断目标是摔倒行为还是日常活动，具体通过人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio以及人体质心变化的速度v等特征参数对摔倒行为进行衡量。如果这三个特征参数均发生变化，则可判定老人目前处于摔倒状态。
检测系统需要判定摔倒的严重程度，具体采用语音交互的方式来询问是否需要帮助，并将问询结果划分为“不严重”和“严重”两种情况。“不严重”情况下，系统不必启动报警模块。
在未得到回应或回应判定结果是已摔倒时，通过无线通信模块向120急救中心发送预先设定且含有位置信息的求助短信.
通过无线通信模块以彩信的形式向家属发送摄像头抓取到的老人摔倒时刻监控截图。
家属在收到短信后，利用手机app查看监控系统缓存录像，查寻摔倒原因，方便医生治疗。
本发明的工作原理：
医疗提醒系统；
因老年人记忆力衰退，且大多数老年人患有慢性病需常年服药。针对该问题通过医疗提醒功能来提醒老人定时吃药，避免因忘记服药导致身体不适。其工作原理为：该部分以树莓派作为主控制器4，利用ds12c887时钟芯片提供时间信息，在系统启用之前，按照医嘱将需要服用的药品按次放入药箱中，并设置好服药时间范围，由于机器人内部含有3个药箱，可同时存放3种药物，因此老人可以根据led灯的闪烁情况进行区分该时间段服药的种类，当到达预设的服药时间时，机器人通过摄像头模块1搜索老人位置，并移动至老人身边。主控制器4通过控制语音播放模块播放录音信息，通过语音模块9播放录制好的语音信息(例如：吃药时间到了，您该吃药了。)提醒老人服药。老人按下led灯闪烁的药箱上的取药按键，主控制器4驱动药箱控制电机6转动，进而控制该药箱5开启，老人取用即可。若老人未曾按下取药键，则利用语音模块9的语音播放每隔5分钟持续发出声音(持续4次)提醒老人服药。在四次提醒结束时，老人仍未服药，则可通过通信模块10向家属发送异常情况信息，家属可通过视频监控查看老人当前状况。同时为满足患者自主服药的需要，系统在预先设定的服药时间前20分钟内均可自主取药，药物在前20分钟内取出后，系统在预定时间将不会发出声音提醒服药。
远程监控系统；
由于老人在室内会存在移动情况，因此当摄像头模块1检测到老人有运动意图时，机器人能通过可伸缩调节杆2、舵机3自动调整摄像头模块1的方位，以保证老人处于监控图像中心位置。当调整伸缩杆2、舵机3无法达到该要求时，机器人可以通过自身移动使老人时刻处于自己监控图像中心位置。家属可随时通过手机app实现远程监控功能，实时查看拍摄到的视频信息。同时可利用大容量硬盘对视频信息进行保存。
摔倒检测系统；
在对摄像头模块1中的视频图像进行预处理后，对于发生的异常行为，利用人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio以及人体质心变化的速度v等特征参数对摔倒行为进行检测。具体工作流程图如图4所示：
(1)判断运动目标是否处于站立或正常行走的状态
先通过人体质心到水平面距离h这一特征判断运动目标是否处于站立或正常行走的状态。将人在行走过程中人体质心到水平面的距离用1表示，则人在下蹲时人体质心到水平面的距离一般在1/3--3/5之间；人在摔倒时人体质心到水平面的距离一般在1/4--2/5之间。设置阈值ht＝3/5h人来区分人是否处于正常行走或站立状态，当人体质心到水平面的距离h大于设定阈值ht时，认为人处于站立或正常行走的状态，即无摔倒事件发生。而人体质心到水平面的距离h小于设定阈值ht时，则可能有摔倒事件发生。
(2)区分类似坐下、下蹲等日常活动行为与摔倒行为
在完成上一步判断之后，此时人体质心到水平面的距离h小于设定阈值ht。由于满足该条件的不仅有摔倒行为，还包含许多常见的日常活动行为，比如下蹲、坐下、平躺、弯腰等，因此需要用人体宽高比ratio进一步判断,当人处于行走、下蹲、坐下等类似日常活动行为时，其人体宽高比是小于1的；而当人处于摔倒状态时，其人体宽高比是大于1的，因此可设定阈值ratiot＝1。即认为人体宽高比ratio大于设定阈值ratiot时，有摔倒事件发生，而ratio小于设定阈值ratiot时，无摔倒事件发生。
(3)用人体质心变化的速度v最终判定是否有摔倒事件发生
由于与平躺类似的一些日常活动行为其人体宽高比也是大于1的，此时这些类似平躺日常活动行为会被误判为摔倒行为。因此可用人体质心变化的速度v来区分日常活动行为和摔倒行为。由于人体质心到水平面的距离h是恒定的，在摔倒事件发生时，可以利用摔倒过程中所用时间t来确定人体质心变化的速度v。为了使误判率更低，经过多次实验测试后设定阈值vt＝1.35m/s。即当人体质心变化的速度v＞vt时，最终判定有摔倒事件发生。
检测系统需要进一步判定摔倒的严重程度，即利用语音模块9的语音交互功能来询问老人是否需要救助，当回答需要或者两次询问无应答时，启动救助功能，此时通信模块10向家属及120急救中心发送求助短信，家属在收到短信后，可利用手机app查摄像头模块1拍摄到的老人当前状况，并调取硬盘内缓存的监控录像，在救护车到达之前与老人实时沟通。
1.一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，包括车体(7)，所述车体(7)后方设置有摄像头模块(1)，车体(7)内部安装有主控制器(4)，位于车体(7)上放置有药箱(5)，所述药箱(5)通过药箱控制电机(6)控制，车体(7)下端两侧前后分别设置有车轮(8)，所述车轮(8)通过驱动电机(11)驱动，所述车体(7)前方设置有语音模块(9)和通信模块(10)。
2.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述摄像头模块(1)用于获取老人的图像信息，然后将图像传输给主控制器(4)，主控制器(4)的输出端分别与药箱控制电机(6)、语音模块(9)、通信模块(10)、驱动电机(11)相连，药箱控制电机(6)用于控制药箱的开关状态，驱动电机(11)用于驱动设置在机器人底部的车轮(8)日常移动，主控制器(4)连接电源模块(12)，电源模块(12)为整个装置提供电源。
3.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述的摄像头模块(1)为rgb双目摄像头，型号为ov5647，用于采集视频，并发送给主控制器(4)。
4.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述的主控制器(4)为raspberrypi，型号为4b，用于缓存和处理摄像头模块传输过来的视频信息，以及对药箱控制电机(6)、驱动电机(11)的控制。
5.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述的语音模块(9)为非特定人语音模别开发板，型号为ys-ldv7，用于对语音进行识别处理。
6.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述的通信模块(10)为无线通信模块，型号为atk-sim800c，其包括3g/4g通信模块，sim卡可插入该模块内部卡槽。
7.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述的主控制器(4)上连接有语音播放模块和蜂鸣器，语音播放模块用于播放录音、提醒老人吃药，蜂鸣器用于在异常情况下进行报警警示。
8.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述机器人车体(7)上设置有usb接口，所述usb接口具有数据传输功能和充电功能。
9.根据权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人，其特征在于，所述的电源模块(12)为可充电的蓄电池，可对机器人进行供电；
所述摄像头模块(1)设置在可调节伸缩杆(2)上，摄像头模块(1)与可调节伸缩杆(2)连接处设置有舵机(3)。
10.基于权利要求1所述的一种面向独居老人的室内服务机器人的运行方法，其特征在于，包括医疗提醒系统、远程监控系统和摔倒检测系统
所述医疗提醒系统具体为：
以树莓派作为主控制器(4)，利用ds12c887时钟芯片提供时间信息，在系统启用之前，按照医嘱将需要服用的药品按次放入药箱中，并设置好服药时间范围，由于机器人内部含有3个药箱，可同时存放3种药物，因此老人可以根据led灯的闪烁情况进行区分该时间段服药的种类，当到达预设的服药时间时，机器人通过摄像头模块(1)搜索老人位置，并移动至老人身边，主控制器(4)通过控制语音模块(9)播放录音信息，通过语音模块(9)播放录制好的语音信息提醒老人服药，老人按下led灯闪烁的药箱上的取药按键，主控制器(4)驱动药箱控制电机(6)转动，进而控制该药箱(5)开启，老人取用即可；
若老人未曾按下取药键，则利用语音模块(9)的语音播放每隔5分钟持续发出声音提醒老人服药，在四次提醒结束时，老人仍未服药，则可通过通信模块(10)向家属发送异常情况信息，家属可通过视频监控查看老人当前状况，同时为满足患者自主服药的需要，系统在预先设定的服药时间前20分钟内均可自主取药，药物在前20分钟内取出后，系统在预定时间将不会发出声音提醒服药；
所述远程监控系统具体为：
由于老人在室内会存在移动情况，因此当摄像头模块(1)检测到老人有运动意图时，机器人能通过可伸缩调节杆(2)、舵机(3)自动调整摄像头模块(1)的方位，以保证老人处于监控图像中心位置，当调整伸缩杆(2)、舵机(3)无法达到该要求时，机器人可以通过自身移动使老人时刻处于自己监控图像中心位置，家属可随时通过手机app实现远程监控功能，实时查看摄像头模块(1)拍摄到的视频信息，同时可利用大容量硬盘对视频信息进行保存；
所述摔倒检测系统具体为：
在对摄像头模块(1)中的视频图像进行预处理后，对于发生的异常行为，利用人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio以及人体质心变化的速度v特征参数对摔倒行为进行检测；
(1)判断运动目标是否处于站立或正常行走的状态；
先通过人体质心到水平面距离h这一特征判断运动目标是否处于站立或正常行走的状态，将人在行走过程中人体质心到水平面的距离用1表示，则人在下蹲时人体质心到水平面的距离一般在1/3--3/5之间；人在摔倒时人体质心到水平面的距离一般在1/4--2/5之间，设置阈值ht＝3/5h人来区分人是否处于正常行走或站立状态，当人体质心到水平面的距离h大于设定阈值ht时，认为人处于站立或正常行走的状态，即无摔倒事件发生，而人体质心到水平面的距离h小于设定阈值ht时，则可能有摔倒事件发生；
(2)区分类似坐下、下蹲等日常活动行为与摔倒行为；
在完成上一步判断之后，此时人体质心到水平面的距离h小于设定阈值ht，当人处于行走、下蹲、坐下等类似日常活动行为时，其人体宽高比是小于1的；而当人处于摔倒状态时，其人体宽高比是大于1的，因此可设定阈值ratiot＝1，即认为人体宽高比ratio大于设定阈值ratiot时，有摔倒事件发生，而ratio小于设定阈值ratiot时，无摔倒事件发生；
(3)用人体质心变化的速度v最终判定是否有摔倒事件发生；
由于与平躺类似的一些日常活动行为其人体宽高比也是大于1的，此时这些类似平躺日常活动行为会被误判为摔倒行为，因此可用人体质心变化的速度v来区分日常活动行为和摔倒行为，由于人体质心到水平面的距离h是恒定的，在摔倒事件发生时，可以利用摔倒过程中所用时间t来确定人体质心变化的速度v，设定阈值vt＝1.35m/s，即当人体质心变化的速度v＞vt时，最终判定有摔倒事件发生；
检测系统需要进一步判定摔倒的严重程度，即利用语音模块(9)的语音交互功能来询问老人是否需要救助，当回答需要或者两次询问无应答时，启动救助功能，此时通信模块(10)向家属及120急救中心发送求助短信，家属在收到短信后，可利用手机app查摄像头模块(1)拍摄到的老人当前状况，并调取硬盘内缓存的监控录像，在救护车到达之前与老人实时沟通。
技术总结