基于ROS机器人的口腔模型交接电子标签扫描系统的设计与实现

陈俭?李新培?孙铖铖?王健

摘要：针对医院在口腔模型手工交接中费时费力、易出差错、丢失的问题，设计了ROS机器人口腔模型交接电子标签扫描系统。基于ROS机器人的操作系统结合树莓派PC技术，以及节点与节点对接、通信传输数据技术和射频识别技术构建了工作平台，经过系统试运行及对多个口腔模型扫描测试，验证了系统设计的合理性，解决了护士在模型管理中出现因字迹模糊导致的差错和丢失问题，缩短交接时间，提高了工作效率，实现了以电子化替代手工口腔模型交接管理、数据采集、数据储存管理的预期效果。

关键词：ROS机器人；口腔模型；电子标签

一、前言

随着现代医学和信息技术的快速发展，机器人技术正逐步应用于口腔医学的各个领域，必然促进口腔专科护理管理、操作流程、护理模式变革和发展[1]。南通大学附属南通市口腔医院是一所市级三级口腔医院，2023年患者门诊量达到3万多人次。修复科、正畸科、综合科、儿童牙病科的模型较多，各类模型的制作和保存、与外包技工所的交接是护理工作的重要部分。长期以来，南通大学附属南通市口腔医院在口腔模型管理上还处于低层次。例如，模型做好后，把病人信息和编号写在小纸条上粘贴于模型，在模型外送交接等环节上，不时发生因字迹模糊、脱落造成模型差错和丢失现象，出现与患者纠纷问题，是护理管理的难题。鉴于此，该院护理科研小组跨学科合作研发了机器人口腔模型电子标签扫描系统。

二、系统设计

本项目采用ROS机器人系统（Robot Operating System，ROS）为主的开发平台，与树莓派技术结合，进行电子标签扫描模块设计，构建出分布式监控系统的框架。ROS具有强大的通信和控制功能，支持多种编程语言和节点对节点设计[2]。树莓派（Raspberry Pi）是为计算机编程教育而设计的卡片式电脑，底层是一个完整的Linux操作系统。树莓派是一个开放源代码的硬件平台，具备I/O功能的电路板及ARM芯片，能编程、连接外部设备，功能多，用途广泛。树莓派操作系统是在ROS框架下运行，主要进行系统算法的处理，根据传感器反馈的信息到主控系统。一个树莓派连接多个检测接头，扩大单个节点的监控视角范围，每个节点之间相互通信，向设定服务器传输数据，电子标签跟踪数据获取，反馈到读取器，再回到ROS主控电脑数据库记录存储（见图1）。

三、系统结构组成

（一）控制系统硬件和软件的组成

硬件设计主要包括主控制ROS选型、无线网络系统构建，树莓派终端电路、串口通信接口电路、显示控制电路设计、数据采集电路。软件设计主要包括ROS系统主程序、无线信号组网构建程序、射频识别数据采集程序、显示控制程序、树莓派终端控制算法程序等。

（二）电子标签系统组成

主控系统采用与RFID电子标签（Radio Frequency Identification，RFID）链接，即射频识别[3]。RFID技术由标签、解读器、数据传输和处理系统三部分组成，是当代通信的一种技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据[4]。在RFID系统里包含一些基本组件，组件分为硬件和软件，从实用功能可将RFID系统分为边沿系统和软件系统。

（三）纽扣式高频近程电子标签

在RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器（即电子标签），应答器中存放的识别信息由阅读器读写（应答器嵌入在口腔模型内）。RFID系统由阅读器、应答器和高层（ROS主控系统）等部分组成，其结构如图2所示。

1.高层（即ROS主控系统）

电子扫描跟踪是由多个阅读器构成的网络架构系统，需要在高层（这里是指ROS主控系统）将多个阅读器获取的数据有效整合，提供查询、追踪等相关管理和服务。

2.阅读器

对应答器提供能量，进行读写操作的设备。

3.应答器

RFID的核心是应答器，阅读器根据应答器的性能而设计。应答器在某些应用场合被称为射频卡、标签等。

在RFID系统中，射频识别部分主要由阅读器和应答器两部分组成。阅读器与应答器之间的通信采用无线射频方式进行耦合。RFID可以分为电感耦合（磁耦合）和反向散射耦合（电磁场耦合）两大类。一般电感耦合工作距离比较近，而反向散射耦合工作距离可以达到1米以上，因此采用了反向散射耦合工作方式（见图3）。

在反向散射耦合的RFID系统中，阅读器与应答器之间耦合的工作原理如下：阅读器通过阅读器天线发射载波，其中一部分被应答器天线反射回阅读器天线。阅读器天线收到携带有调制信号的反射波后，经收发耦合、滤波放大，再经解码电路获得应答器发回的信息。阅读器是为应答器提供能量，进行读写操作的设备。读到的信息通过树莓派串口传送至树莓派主板，树莓派处理完电子标签的信息后，通过自组无线网络传输至ROS主控系统。

四、RFID读写器的设计

读卡器硬件系统基于MF RC500的RFID技术Mirfare1卡读写器系统，其系统结构框如图4所示。

硬件主要由STM32F407单片机、MFRC500以及232通信等接口模块组成。内置I2C、SPI、USART、I2S、CAN和SDIO等通信协议接口，使用非常方便。

五、系统数据库设计

树莓派处理完电子标签的信息后，通过自组无线网络传输至ROS主控系统。ROS主控系统的主控是数据的存储和读取。这个数据的存储和读取采用了ling to sql数据访问技术。

ling to sql（或者叫DLINQ）是ling（.NET 语言集成查询）的一部分，全称基于关系数据的.NET语言集成查询。用于以对象形式管理关系数据，linq to sql是linq的扩展框架，支持linq针对SQL数据库进行查询（将查询的条件转化为SQL语句）。linq是一种语法和函数库，它使得C#程序员可以用更简单的方式构造查询。linq不仅可以查询数据库，还可以查询对象、数组、xml文件等。sql server 2010是一個数据库系统，它为高性能的数据库解决方案提供了基础的软件。如果将数据存储在sql server中，linq只是一个调用，后端还是要翻译成sql在sql server中执行。数据处理流程如图5所示。

ROS主控的数据通过上位机端口COM3接入。数据接收区显示的是电子标签数据，模型编号框中是解出的标签信息。日期框是当前系统时间，它是标签的读入时间信息。模型编号和标签的读入时间自动存入sql server 2010数据库，在sql server 2010 中建立了一个名为KOUQ的数据库，上图下方有一个数据表格，这个表格是属于KOUQ数据库的，是在建立 KOUQ数据库时添加进来的。读到的数据就保存在此表中，可以看到刚刚读取的RFID卡中的模型号已保存在此表中了。在此基础上可以进行数据查询等后续工作。

六、测试与结果

目前，项目研究已经进入测试阶段，测试目的是了解和检验系统的设计性能和相关指标：第一，启动系统长时间、高负荷运行状态下检测本系统的稳定性、安全性。第二，测试系统操作与临床实际情况符合程度。第三，测试患者诊疗信息输入和扫描电子标签的反馈情况。

测试方法：从临床随机抽取多个口腔模型嵌入电子标签，按临床使用过程进行操作，按诊疗记录电子扫描查找、检测系统功能情况、信息准确程度、速度及效率等。整个测试验证在全闭环系统下进行。另外，随机抽取观察组和对照组各100例进行模型交接，由科研組人员监督记录时间和数量，通过两组比较发现，观察组在交接时间上明显比对照组缩短，工作效率大大提高。

测试结果显示：护理操作者在科研组人员指导下通过对多个临床模型扫描的模拟测试，尚未发现各功能模块之间的数据传输错误、障碍或死机现象，表明该系统具有较好的临床辅助功能，操作方便快捷，界面显示精准记录信息，对口腔模型管理扫描系统的完整性、安全性均较满意。模型电子标签化管理也具有很多优点，电子标签识别准确无误，识别距离具有灵活性，并且可以同时识别读取多个标签，实现快速扫描[5]，做到穿透性和无屏障阅读，具备抗污染能力和耐久性、安全性、可重复使用等特点[6]。

七、结语

本项目基于ROS机器人系统与树莓派组合设计开发了电子标签扫描管理系统，并采用了先进非接触式的扫描自动识别技术，通过射频信号识别模型上的电子标签，读取信息传递给管理系统，然后自动分类、统计、存储。解决了护士模型交接中所产生的问题，改变了原来落后的手工操作，提高工作效率和准确性，实现模型电子标签化管理。

该系统通过多次调试、改进、试用，具有性能稳定、可靠、设置操作方便、造价低、兼容性好、运行速度快等特点，达到预想设计的目标。实现了护士对模型交接电子标签化和电脑数据库记录存储的管理模式。智能化管理大大减轻了护士工作繁琐的流程，节约了交接时间，降低了护士劳动强度，显示了模型电子标签化管理的优势，提高了工作效率和服务质量，避免了差错，减少医患纠纷，提高医院服务满意度。

参考文献

[1]毕小琴.人工智能技术在口腔专科治疗及护理中的应用[J].华西口腔医学杂志，2018，36（04）：452-455.

[2]安峰.基于开源操作系统 ROS的机器人软件开发.[J]单片机与嵌入式系统应用.2017（05）：27-29.

[3]谢建兵.无线射频识别系统中的防碰撞算法研究[D].南京：南京邮电大学.2012.

[4]张丰友，赵可心.射频识别电子标签在医院医疗设备管理中的应用[J].医疗装备.2020，33（13）：54-55.

[5]曾文波，钟建坤，杨凌.基于物联网技术的电子标签互联系统实践与研究[J].信息与电脑，2020（02）：165-166.

[6]徐进.关于电子标签检测技术研究[J].信息技术，2017（04）：178-180.

基金项目：南通市基础科学研究和社会民生科技计划项目（项目编号：Jcz2022042）

责任编辑：张津平