Robot vận chuyển mẫu xét nghiệm

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ROBOT VẬN CHUYỂN
MẪU XÉT NGHIỆM TRONG BỆNH VIỆN
GVHD: ThS. Ngô Bá Việt
SVTH: Đinh Việt Hùng
MSSV: 14141137
SVTH: Đặng Thị Huỳnh Như
MSSV: 14141219
Tp. Hồ Chí Minh - 01/2019


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

ROBOT VẬN CHUYỂN
MẪU XÉT NGHIỆM TRONG BỆNH VIỆN

GVHD: ThS. Ngô Bá Việt
SVTH: Đinh Việt Hùng
MSSV: 14141137
SVTH: Đặng Thị Huỳnh Như
MSSV: 14141219

Tp. Hồ Chí Minh - 01/2019


Báo cáo đồ án tốt nghiệp
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 07 tháng 01 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Đinh Việt Hùng

MSSV: 14141137

Đặng Thị Huỳnh Như

MSSV: 14141219

Chuyên ngành:

Điện tử công nghiệp

Mã ngành: 14941

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

K14941

Khóa:

2014

Lớp:

14941DT

I. TÊN ĐỀ TÀI:

ROBOT VẬN CHUYỂN MẪU XÉT NGHIỆM
TRONG BỆNH VIỆN

II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-

Mô đun ESP8266, các thiết bị ngoại vi như cảm biến siêu âm, động cơ servo, động
cơ giảm tốc.

-

Kit Raspberry Pi 3 Model B và Raspberry Pi Camera Rev 1.3.

-

Điện thoại chạy hệ điều hành Android.

2. Nội dung thực hiện:
-

Tìm hiểu về xử lý ảnh, thư viện OpenCV và phương pháp nhận dạng làn đường.

-

Tìm hiểu phương pháp trực tiếp hình ảnh lên web tĩnh.

-

Lựa chọn phần cứng, nghiên cứu, phân tích nguyên tắc hoạt động của từng khối
để xây dựng mô hình hoàn chỉnh cho hệ thống.

-

Lập trình Linux, HTML, Python trên Raspbery Pi 3.

-

Lập trình Android trên phần mềm Android Studio.

-

Lập trình Arduino.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

03/10/2018

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/01/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Ngô Bá Việt
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


Báo cáo đồ án tốt nghiệp
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 07 tháng 01 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Đinh Việt Hùng
Lớp:

14941DT

MSSV: 14141137

Họ tên sinh viên 2: Đặng Thị Huỳnh Như
Lớp:

14941DT

Tên đề tài:

MSSV: 14141219

ROBOT VẬN CHUYỂN MẪU XÉT NGHIỆM
TRONG BỆNH VIỆN

Tuần/ngày
1/10/2018 -

Nội dung

Xác nhận GVHD

Chọn đề tài.

7/10/2018
8/10/2018 -

Viết đề cương chi tiết.

14/11/2018
15/10/2018 - Tìm hiểu xử lý ảnh, phương pháp nhận dạng làn
21/10/2018

đường cơ bản.

22/10/2018 - Cài đặt hệ điều hành và các thư viện cho
28/10/2018

Raspberry Pi, tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Python
trên Raspberry Pi.

29/10/2018 - Thiết kế và thi công khung robot.
4/11/2018
5/11/2018 -

Vẽ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, sơ đồ nối dây và

11/11/2018

tiến hành lắp ráp mô hình.

12/11/2018 - Lập trình Android, lập trình Linux, lập trình
9/12/2018

Python, lập trình Arduino.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

10/12/2018 - Hoàn thành mô hình.
23/12/2018

Kiểm tra sự hoạt động của robot.

24/12/2018 - Chỉnh sửa lỗi phần cứng và các lỗi lập trình.
30/12/2018

Kiểm tra lại sự hoạt động của robot.

31/12/2018 - Viết báo cáo.
6/1/2019
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iv


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này do nhóm chúng tôi thực hiện có sự tham khảo một số tài liệu và công
trình nghiên cứu được đính kèm trong tài liệu tham khảo và không sao chép từ tài liệu
hay công trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Đinh Việt Hùng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Đặng Thị Huỳnh Như

v


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn Thầy Ths.Ngô Bá Việt và các thầy
cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm quý báu
cũng như hỗ trợ phương tiện vật tư trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài.
Đặc biệt con xin cảm ơn cha mẹ đã tạo điều kiện cho con học tập, nghiên cứu.
Luôn động viên, quan tâm và ủng hộ con trong thời gian qua.
Ngoài ra, nhóm cũng xin cảm ơn sự chia sẻ, hỗ trợ từ các anh chị, bạn bè trong
khoa đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo thêm trong việc thực hiện nghiên
cứu.
Trân trọng
Nhóm thực hiện đồ án
Đinh Việt Hùng – Đặng Thị Huỳnh Như

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vi


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... v
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... vi
MỤC LỤC ............................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH............................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... xiv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................. 1
1.2. MỤC TIÊU ...................................................................................................... 2
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 2
1.4. GIỚI HẠN ....................................................................................................... 3
1.5. BỐ CỤC .......................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 4
2.1. ROBOT VẬN CHUYỂN PHỤC VỤ TRONG LĨNH VỰC Y TẾ .................... 4
2.1.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 4
2.1.2. Một số robot vận chuyển trong bệnh viện...................................................... 4
2.1.2.1. Robot Noah ................................................................................................. 4
2.1.2.2. Robot RP7................................................................................................... 5
2.1.2.3. Robot vận chuyển chất thải y tế ở Anh ........................................................ 6
2.1.2.4. Robot TUG ................................................................................................. 7
2.2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LINE ........................................................... 7
2.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 7
2.2.2. Thuật toán Contour ....................................................................................... 8
2.2.2.1. Giới thiệu .................................................................................................... 8
2.2.2.2. Thuật toán ................................................................................................... 8
2.2.3. Thuật toán Moment ......................................................................................12
2.2.3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 12
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vii


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

2.2.3.2. Thuật toán ................................................................................................. 12
2.3. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON .............................................................14
2.3.1. Giới thiệu .....................................................................................................14
2.3.2. Đặc điểm......................................................................................................15
2.4. THƯ VIỆN OPENCV.....................................................................................15
2.4.1. Giới thiệu .....................................................................................................15
2.4.2 Đặc điểm.......................................................................................................15
2.5. BỘ TRUYỀN NHẬN UART ..........................................................................16
2.6. GIỚI THIỆU VỀ WEB SERVER VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH HTML ......17
2.6.1. Khái niệm web server ..................................................................................17
2.6.2. Nguyên lí hoạt động của web server.............................................................18
2.6.3. Các giao thức sử dụng của web server ..........................................................18
2.6.3.1. Giao thức HTTP ........................................................................................ 18
2.6.3.2. Giao thức FTP ........................................................................................... 19
2.6.4. Khái niệm ngôn ngữ lập trình HTML ...........................................................19
2.6.5. Cấu trúc cơ bản của HTML .......................................................................... 20
2.7. CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY .........................................21
2.7.1. Một số công nghệ kết nối trong truyền thông không dây ..............................21
2.7.2. Tìm hiểu chuẩn IEEE 802.11 .......................................................................22
2.7.3. Tìm hiểu về chuẩn IEEE 208.16...................................................................23
2.8. TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG ...................................................................24
2.8.1. Kit Raspberry Pi 3 Model B .........................................................................24
2.8.2. Mô đun Raspberry Pi Camera ......................................................................25
2.8.3. Tổng quan về ESP8266 NodeMCU Lua CP1202 .........................................26

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...........................................................27
3.1. GIỚI THIỆU ...................................................................................................27
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .....................................................27
3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối.......................................................................................27
3.2.2. Thiết kế phần cứng.......................................................................................28
3.2.2.1 Khối điều khiển và xử lý trung tâm ............................................................ 28

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

viii


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

3.2.2.2. Khối thu thập hình ảnh .............................................................................. 31
3.2.2.3. Khối cảm biến vật cản ............................................................................... 33
3.2.2.4. Khối động cơ ............................................................................................ 35
3.2.2.5. Khối nguồn ............................................................................................... 39
3.2.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..........................................................................42
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................43
4.1. CHUẨN BỊ LINH KIỆN – MÔ ĐUN .............................................................43
4.2. LẮP RÁP – NỐI DÂY....................................................................................43
4.2.1. Sơ đồ nối dây ...............................................................................................43
4.2.2. Vẽ khung robot ............................................................................................44
4.2.2.1. Giới thiệu phần mềm SketchUp................................................................. 44
4.2.2.2. Khung robot sau khi thiết kế ..................................................................... 45
4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...............................................................................46
4.3.1. Lập trình trên Raspberry Pi 3 .......................................................................46
4.3.1.1. Cài đặt hệ điều hành trên Raspberry Pi ...................................................... 46
4.3.1.2. Cài đặt thư viện Opencv trên Raspberry Pi 3 ............................................. 47

4.3.1.3. Lưu đồ giải thuật robot tự di chuyển.......................................................... 50
4.3.1.4. Quy trình dò tìm đường line ...................................................................... 52
4.3.1.5. Giao diện lập trình .................................................................................... 53
4.3.2. Lập trình Android ........................................................................................53
4.3.2.1. Giới thiệu phần mềm Android Studio ........................................................ 53
4.3.2.2. Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 55
4.3.2.3. Giao diện phần mềm Android Studio ....................................................... 59
4.3.3. Lập trình ESP8266 .......................................................................................60
4.3.3.1. Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 60
4.3.3.2. Giao diện phần mềm Arduino ................................................................... 65
4.4. HƯỚNG DẪN THAO TÁC, SỬ DỤNG ........................................................66
4.4.1. Thao tác đối với Raspberry Pi ......................................................................66
4.4.1.1. Remote Desktop ........................................................................................ 66
4.4.1.3. Thực thi code ở chế độ điều khiển ............................................................. 69
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ix


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

4.4.2. Thao tác đối với ứng dụng trên điện thoại ....................................................69
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ..........................................71
5.1. KẾT QUẢ.......................................................................................................71
5.1.1. Kết quả thi công phần cứng ..........................................................................71
5.1.2. Kết quả nhận dạng line .................................................................................72
5.1.2.1. Kết quả nhận dạng line trên nhiều nền màu ............................................... 72
5.1.2.2. Kết quả nhận dạng line và điều khiển trong thực tế ................................... 75
5.1.3. Kết quả điều khiển robot bằng ứng dụng trên điện thoại...............................79
5.2. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .........................................................................79

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................81
6.1. KẾT LUẬN ....................................................................................................81
6.1.1. Kết quả đạt được ..........................................................................................81
6.1.2. Những mặt hạn chế ......................................................................................81
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................82
PHỤ LỤC ..............................................................................................................84

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

x


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Robot Noah ở Trung Quốc. .......................................................................... 5
Hình 2.2: Robot chuẩn đoán bệnh RP7. ....................................................................... 5
Hình 2.3: Robot vận chuyển chất thải y tế trong bệnh viện ở Anh. ............................... 6
Hình 2.4: Robot TUG .................................................................................................. 7
Hình 2.5: Ví dụ về đường viền (Contour)..................................................................... 8
Hình 2.6: Mô tả quá trình tìm contour của thuật toán Square Tracing .......................... 9
Hình 2.7: Ví dụ trường hợp thuật toán chạy sai ............................................................ 9
Hình 2.8: Ví dụ trường hợp thuật toán chạy đúng ...................................................... 10
Hình 2.9:Mô tả quá trình tìm contour của thuật toán Moore-Neighbor Tracking ........ 10
Hình 210: Mô tả quá trình tìm Contour của thuật toán Radial Sweep ......................... 11
Hình 2.11: Mô tả quá trình tìm contour của thuật toán Theo Pavlidis’ Algorithm ...... 12
Hình 2.12: Bất biến tịnh tiến. ..................................................................................... 14
Hình 2.13: Tín hiệu tương đương của UART và RS232. ............................................ 16
Hình 2.14: Sơ đồ khối của UART .............................................................................. 17

Hình 2.15: Raspberry Pi 3 Model B. .......................................................................... 24
Hình 2.16: Raspberry Pi Camera Rev 1.3.................................................................. 26
Hình 2. 17: Mô đun Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102...................................... 26
Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống ............................................................................ 27
Hình 3.2: Ngoại vi của Raspberry Pi 3 model B ......................................................... 29
Hình 3.3: Sơ đồ chân của Raspberry Pi 3 model B ..................................................... 30
Hình 3.4: Sơ đồ ra chân của ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ................................. 30
Hình 3.5: Raspberry Pi Camera Rev 1.3..................................................................... 31
Hình 3.6: Động cơ servo SG90 .................................................................................. 32
Hình 3.7: Sơ đồ nối dây và nguyên lý hoạt động của động cơ servo SG90 ................. 33
Hình 3.8: Mặt trước và sau của srf05 ......................................................................... 33
Hình 3.9: Mô tả lực ma sát trượt ................................................................................ 37
Hình 3.10: Động cơ giảm tốc DCM37 ....................................................................... 38
Hình 3.11: Mô đun L298N......................................................................................... 38
Hình 3.12: Nguyên lý hoạt động của cầu H ................................................................ 39
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mô đun L298N ............................................................... 39
Hình 3.14: Bánh xe 80mm. ........................................................................................ 39
Hình 3.15: Pin dự phòng Xaomi 10000AMh Gen 2 ................................................... 40
Hình 3.16: Bình ắc quy Globe.................................................................................... 41
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ...................................................................... 42
Hình 4.1: Sơ đồ nối dây toàn hệ thống ....................................................................... 44
Hình 4.2: Mặt trước khung robot ............................................................................... 45
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xi


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

Hình 4.3: Mặt bên khung robot .................................................................................. 45

Hình 4.4: Mặt sau khung robot .................................................................................. 46
Hình 4.5: Trang web tải hệ điều hành Raspbian ......................................................... 46
Hình 4.6: Định dạng thẻ nhớ bằng phần mềm SD Card Formatter.............................. 47
Hình 4.7: Ghi hệ điều hành Raspbian vào thẻ nhớ bằng phần mềm NetBSD Disk Image
Tool ........................................................................................................................... 47
Hình 4.8: Lệnh kiểm tra OpenCV .............................................................................. 49
Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật lập trình Python trên Raspberry Pi .................................. 51
Hình 4.10: Quy trình dò tìm line ................................................................................ 52
Hình 4.11: Giao diện lập trình Python trên Raspberry Pi 3 ......................................... 53
Hình 4.12: Lưu đồ giải thuật lập trình Android .......................................................... 58
Hình 4.13: Giao diện phần mềm Android Studio – Màn hình chính ........................... 59
Hình 4.14: Giao diện phần mềm Android Studio – Main Class .................................. 59
Hình 4.15: Giao diện phần mềm Android Studio – class truyền nhận dữ liệu ............. 59
Hình 4.16: Lưu đồ chương trình trên mô đun ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ....... 64
Hình 4.17: Giao diện lập trình Arduino 1.8.5 ............................................................. 65
Hình 4.18: Kết nối cổng Lan RJ45 trên Raspberry Pi 3 .............................................. 66
Hình 4.19: Đặt địa chỉ IP cho cổng LAN ................................................................... 66
Hình 4.20: Quét IP của Raspberry Pi 3 ...................................................................... 67
Hình 4.21: Nhập IP của Raspberry Pi vào Remote Desktop ....................................... 67
Hình 4.22: Nhập username và password .................................................................... 67
Hình 4.23: Giao diện Desktop của Raspberry Pi ........................................................ 68
Hình 4.24: Truy cập địa chỉ IP của Raspberry Pi........................................................ 68
Hình 4.25: Giao diện Desktop.................................................................................... 68
Hình 4.26: Lệnh thực thi code ở chế độ tự di chuyển ................................................. 69
Hình 4.27: Lệnh thực thi coe ở chế độ điều khiển ...................................................... 69
Hình 4.28: Ứng dụng android sau khi cài đặt ............................................................. 70
Hình 4.29: Giao diện điều khiển robot trên ứng dụng................................................. 70
Hình 5.1: Camera và cảm biến siêu âm. ..................................................................... 71
Hình 5.2: Bên trong robot .......................................................................................... 71
Hình 5.3: Mô hình robot tổng thể ............................................................................... 72

Hình 5.4: Nhận dạng line trên nền màu hồng ............................................................. 72
Hình 5.5: Nhận dạng line trên nền màu vàng ............................................................. 73
Hình 5.6: Nhận dạng line trên nền màu xanh lam....................................................... 73
Hình 5.7: Nhận dạng line trên nền màu trắng ............................................................. 73
Hình 5.8: Nhận dạng line trên nền màu đỏ ................................................................. 74
Hình 5.9: Nhận dạng line trên nền màu xanh lá.......................................................... 74
Hình 5.10: Nhận dạng line trên nền màu tím .............................................................. 74
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xii


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

Hình 5.11: Kết quả nhận dạng line và điều khiển rẽ phải ........................................... 76
Hình 5.12: Kết quả nhận dạng line và điều khiển rẽ trái. ............................................ 76
Hình 5.13: Kết quả nhận dạng line và điều khiển chạy thẳng ..................................... 77
Hình 5.14: Không có line ........................................................................................... 77
Hình 5.15: Kết quả nhận dạng line bị đứt quãng ........................................................ 77
Hình 5.16: Kết quả nhận dạng line có nhiễu các vật thể màu đen ............................... 78
Hình 5.17: Giao diện điều khiển trên ứng dụng điện thoại ......................................... 79

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xiii


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số của Raspberry Pi 3 model B ....................................................... 24
Bảng 3.1: Hệ số ma sát trượt của một số vật liệu……..………………………………36
Bảng 4.1: Các linh kiện, mô đun sử dụng……………. ………………………………43
Bảng 5.1: Kết quả nhận dạng line trên 7 nền màu…… ………………………………75
Bảng 5.2: Bảng kết quả nhận dạng line và điều khiển trong thực tế............................ 78

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xiv


Báo cáo đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IrDA
IR
ISM
LAN IEEE
MAC
WLAN
TKIP
AES
WEP
AES-OCB
MAN
PHY
HTML
HTTP
IP
TCP

FTP
DC
GPIO
CPU
ARM
Mbps
SIFT
SURF
LSB
MSB
IC
UART
PWM

Infrared Data Association
Infrared Remote
Industrial Scientific Medical
Local Area Network Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Media Access Control
Wireless Local Area Network
Temporal Key Integrity Protocol
Advanced Encryption Standard
Wired Equivalent Privacy
Advanced Encryption Standard and Offset Codebook
Metropolitan Area Network
Physical Layer
HyperText Markup Language
HyperText Transfer Protocol
Internet Protocol

Transmission Control Protocol
File Transfer Protocol
Direct Current
General Purpose Input Output
Central Processing Unit
Advanced RISC Machine
Megabit per second
Scale Invariant Feature Transform
Speeded up robust features
Least Significant Bit
Most Significant Bit
Integrated Circuit
Universal synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
Pulse-Width Modulation

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành
công nghiệp tự động hóa cũng phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng máy móc hiện đại
vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất,
tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm. Song song với sự phát triển đó, công nghệ
chế tạo robot cũng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp ứng
nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt và an ninh quốc phòng. Chủng loại robot ngày nay khá

đa dạng về hình thức cũng như có thể thực hiện được rất nhiều chức năng như thăm dò,
chinh phục vũ trụ, hỗ trợ, giúp đỡ người khuyết tật, vận chuyển đồ vật và giám sát an
ninh cho ngôi nhà,... [22]
Tại Việt Nam, với việc đẩy mạnh cuộc cách mạng công nghệ 4.0, cụ thể là trong
việc phát triển các robot có tính ứng dụng cao trong đời sống cũng như sản xuất. Đã có
nhiều công trình nghiên cứu khoa học mang tính đột phá cao trong tự động hóa để áp
dụng vào thực tiễn dây chuyền sản xuất và đặc biệt là ứng dụng các khoa học công nghệ
cao vào y tế nhằm giảm gánh nặng về nhân lực, tăng độ chính xác, ổn định, đồng thời
giảm thiểu các tai nạn về an toàn lao động trong bệnh viện. [23]
Xuất phát từ những điểm nêu trên, cùng với sự phát triển của nhiều loại robot phục
vụ cho nhu cầu khác nhau của con người, robot phục vụ trong bệnh viện được nghiên
cứu và ứng dụng tại rất nhiều quốc gia trên thế giới. Với sự phát triển vượt bậc của nền
kinh tế, khoa học kỹ thuật, việc thay thế con người bởi các robot hỗ trợ là điều cần thiết.
Trong thực tế, ngành y tế đã và đang chịu sức ép lớn khi thiếu nguồn nhân lực và
cả những bất cẩn, sai sót mang đến hậu quả nghiêm trọng do phải làm việc quá sức của
đội ngũ nhân viên bệnh viện. Nên cần chú trọng đầu tư công nghệ tự động, nâng cấp các
bệnh viện thành bệnh viện thông minh, mang đến những dịch vụ tốt nhất cho người dân
và giảm áp lực công việc cho đội ngũ nhân viên y tế.
Đề tài “Robot vận chuyển mẫu xét nghiệm trong bệnh viện” hướng đến vấn đề xây
dựng bệnh viện thông minh trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0. Hiện tại, ở một số
nước phát triển như Mỹ, Anh, Nhật Bản, Trung Quốc,… đang trong quá trình thử
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

nghiệm robot vận chuyển trong bệnh viện, với hi vọng về sự hoạt động hiệu quả mà nó
mang lại sẽ làm thay đổi phương thức hoạt động của bệnh viện ngày càng hiện đại hơn.

Nhưng vấn đề về giá thành và sự phù hợp với cơ sở hạ tầng, cơ sở vật chất ở các bệnh
viện trong nước cản trở sự tiếp cận của các công nghệ robot thế giới.
Từ những yêu cầu đặt ra, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài “Robot vận chuyển
mẫu xét nghiệm trong bệnh viện” với hy vọng góp phần giảm bớt gánh nặng công việc
cho đội ngũ nhân viên bệnh viện, giảm thiểu tính trạng di chuyển liên tục, và cúng góp
phần giải quyết tình trạng thiếu nguồn nhân lực, từ đó người dân sẽ được phục vụ tốt
hơn. Ngoài ra, đề tài cũng mở ra hướng tiếp cận mới trong vấn đề xây dựng bệnh viện
thông minh, giám sát an ninh di động, robot hoạt động tự hành với độ chính xác cao sẽ
giúp giảm thiểu tình trạng bất cẩn, sai sót của con người trong quá trình làm việc.

1.2. MỤC TIÊU
Đề tài “Robot vận chuyển mẫu xét nghiệm trong bệnh viện” hướng đến mục tiêu
tự động hoá trong bệnh viện, góp phần xây dựng bệnh viện hiện đại, thông minh, giảm
bớt gánh nặng công việc cho đội ngũ nhân viên ngành y tế, với các mục tiêu cụ thể:
- Robot hoạt động ở hai chế độ là tự di chuyển theo quỹ đạo cố định đã định sẵn
và chế độ điều khiển từ ứng dụng được cài đặt trên điện thoại chạy hệ điều hành Android
để vận chuyển các mẫu xét nghiệm theo yêu cầu của đội ngũ nhân viên bệnh viện từ các
phòng lấy mẫu đến phòng xét nghiệm, hoặc đến các phòng khác.
- Trong quá trình di chuyển, robot phát hiện được vật cản sau đó dừng lại và phát
âm thanh cảnh báo.
- Ở chế độ điều khiển, robot đảm nhận thêm vai trò giám sát. Các nhân viên y tế
có thể điều khiển sự di chuyển của robot và điều khiển camera, hình ảnh thu được từ
camera được hiển thị lên web.

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 NỘI DUNG 1: Thu thập dữ liệu quy trình lấy mẫu và xét nghiệm trong bệnh viện.
 NỘI DUNG 2: Các giải pháp xử lý ảnh, xử lý dữ liệu sau khi lấy mẫu và xét nghiệm.
 NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.
 NỘI DUNG 4: Thiết kế mô hình.
 NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

 NỘI DUNG 6: Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
 NỘI DUNG 7: Viết luận văn.
 NỘI DUNG 8: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4. GIỚI HẠN
- Sự hoạt động của robot trong đề tài với các điều kiện về cơ sở hạ tầng, cường độ
ánh sáng, màu sắc line, tốc độ wifi và một số yếu tố khác là lý tưởng.
- Robot hoạt động ở chế độ tự hành trên quỹ đạo được định sẵn bằng phương thức
xử lý hình ảnh từ Pi Camera để nhận biết line có màu đen cố định.
- Robot hoạt động ổn định ở môi trường trong nhà với đầy đủ ánh sáng.

1.5. BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng quan
Trong chương này, đồ án được trình bày tổng quan về robot cũng như robot hỗ trợ
trong y tế và một số ứng dụng robot vào thực tế. Từ đó, đi đến làm rõ mục tiêu, giới hạn
và bố cục đề tài.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị, phần cứng sử
dụng thiết kế.
 Chương 3: Tính toán và thiết kế
Trong chương này mô hình xe robot vận chuyển mẫu xét nghiệm được nêu rõ các
yêu cầu chi tiết về kỹ thuật. Từ đó, thực hiện thiết kế sơ đồ khối hóa hệ thống, chọn lựa
thiết kế và chọn lựa phần cứng phù hợp cũng như thiết kế phần mềm.

 Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này trình bày về kết quả mô hình robot vận chuyển mẫu xét nghiệm sau
khi thực hiện, các thử nghiệm robot theo các mục tiêu đã đặt ra.
 Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá
Chương này nêu kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá hệ thống.
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương này đưa ra những kết luận về quá trình nghiên cứu và khả năng phát triển
cho robot vận chuyển ở bệnh viện trong tương lai

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. ROBOT VẬN CHUYỂN PHỤC VỤ TRONG LĨNH VỰC Y TẾ
2.1.1. Giới thiệu
Robot là một loại hình máy móc có thể thực hiện những công việc một cách tự
động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot
là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí – điện tử. Ngày nay,
robot được sử dụng trong nhiều ngành nghề, hỗ trợ và dần thay thế con người ở một số
vị trí, nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc. [15]
Robot đã bước vào lĩnh vực y tế rất đa dạng, muôn hình muôn vẻ. Từ những loại
robot chăm sóc người cao tuổi, trẻ em, đến các loại robot phức tạp hơn, có thể làm công
việc như một điều dưỡng bệnh viện. [6]
Một số robot làm việc trong bệnh viện ở Hoa Kì, Anh hay Nhật Bản đã cho thấy
sự hoạt động hiệu quả của mình khi hoàn thành tốt các nhiệm vụ vận chuyển chất thải
y tế, vận chuyển tài liệu, thuốc, giúp bác sĩ thăm khám bệnh nhân thông qua

camera,…[6]
Theo SlashGear, việc có quá ít y tá làm việc ban đêm khiến hoạt động tìm kiếm
vật dụng y tế trở nên vất vả hơn. Triển khai robot sẽ lấp đầy khoảng trống đó, giúp vận
chuyển thuốc, mẫu và các vật dụng khác giữa các điểm đến trong bệnh viện. [6]

2.1.2. Một số robot vận chuyển trong bệnh viện
2.1.2.1. Robot Noah
Robot Noah được đưa vào thử nghiệm tại Bệnh viện Nhi và Phụ nữ Quảng Châu,
Quảng Đông, Trung Quốc giúp giảm quãng đường đi bộ của y tá lên đến 1.900 km/năm.
Mỗi robot có thể mang tài liệu và thuốc nặng tới 330kg. Tuy nhiên, người đứng đầu
bệnh viện dự đoán robot có thể mang được khối lượng nặng hơn thế. [7]
Mỗi robot Noah có thể làm thay công việc của 4 người. Sử dụng công nghệ GPS,
các robot này có thể di chuyển và cầm theo số đồ dùng gấp 10 lần một nhân viên bình
thường. Với việc đưa Noah vào hỗ trợ, y tá bệnh viện sẽ giảm được hơn 1.900 km quãng
đường đi bộ bên trong khuôn viên mỗi năm. [7]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Robot Noah ở Trung Quốc.
Robot Noah được lập trình với các cụm từ như: "Tôi đi đây", "Tôi đang vào thang
máy", "Tôi bị cản trở" để thông báo cho các y tá trong bệnh viện.[7]
Noah tiện lợi nhờ các bánh xe để dễ dàng di chuyển và ngăn kéo có thể khóa tránh
cho các thiết bị và tài liệu bị nhiễm bẩn như khi con người mang vác. Mỗi robot Noah
có giá 600.000 nhân dân tệ (hơn 2 tỷ đồng). Các nhà sáng chế vẫn đang tiếp tục nghiên
cứu để robot này có thể giao tiếp cơ bản với nhân viên y tế.[7]

2.1.2.2. Robot RP7
Ở Anh, một "robot bác sĩ" với sứ mệnh cứu người đã chính thức bắt tay vào nhiệm
vụ tại một bệnh viện thuộc Vương quốc Anh và sắp tới có thể sẽ trở thành thành viên
túc trực thường xuyên với đội ngũ bác sĩ ở các bệnh viện khác trên khắp xứ sở sương
mù. [14]

Hình 2.2: Robot chuẩn đoán bệnh RP7.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

RP7 được trang bị các bánh xe nên nó có thể di chuyển khắp bệnh viện với tốc độ
8km/h. Nhờ vậy, một bác sĩ đang ở xa nhiều cây số cũng có thể "lệnh" cho RP7 tiến đến
bên giường bệnh nhân để thăm khám bằng cách sử dụng một thiết bị điều khiển từ xa.
Bệnh nhân có thể nhìn thấy chuyên gia y tế qua màn hình và nhận được sự tư vấn trực
tiếp từ họ. "Chiếc camera của robot RP7 không chỉ hiển thị khuôn mặt của chúng ta cho
bệnh nhân thấy, mà còn cho phép các bác sĩ nhìn gần hơn vào bất cứ bộ phận nào trên
cơ thể bệnh nhân, chẳng hạn như phóng to mắt của họ lên toàn màn hình để có thể chẩn
đoán họ có dấu hiệu của bệnh vàng da hay không", Tiến sĩ Charles MacAllister ở bộ
phận ICU Bệnh viện Craigavon, một trong các bệnh viện ứng dụng robot vào khám
chữa bệnh ở Anh, cho biết. [14]
Robot RP7 đầu tiên ở Anh hiện đang hoạt động như một chuyên gia tư vấn khẩn
cấp tại bệnh viện Daisy Hill ở Bắc Ireland và theo kế hoạch, các "đồng nghiệp" của
chúng cũng sẽ được triển khai tại hai bệnh viện ở Shropshire và Kent & Canterbury.
[14]

2.1.2.3. Robot vận chuyển chất thải y tế ở Anh
Bệnh viện Hoàng gia Forth Valley (NHS) là cơ sở y tế đầu tiên tại Anh triển khai
đội quân robot này với tổng trị giá 300 triệu bảng.[8]

Hình 2.3: Robot vận chuyển chất thải y tế trong bệnh viện ở Anh.
Tùy theo nhiệm vụ mà có loại robot với cấu hình tương ứng, chúng sẽ vận chuyển
chất thải lâm sàng và các chất bẩn khác; cung cấp thực phẩm phù hợp với tình trạng
bệnh nhân hoặc giúp phân chia liều thuốc theo y lệnh. Robot đi dọc theo hành lang dành
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

riêng cho chúng ở tầng dưới của bệnh viện. Khi cần, các nhân viên bệnh viện sẽ sử dụng
một thiết bị kỹ thuật số cầm tay để gọi chúng đến. Mỗi robot được trang bị chùm tia
laser để giúp chúng dò tìm đúng nơi cần đến, hệ thống cảm biến của chúng giúp nhặt
những đồ vật theo yêu cầu. [8]

2.1.2.4. Robot TUG
Tại bệnh viện Aethon, robot TUG dùng để vận chuyển thuốc, dụng cụ y tế và các
loại hàng hóa nhằm giảm thiểu sai sót và chi phí hoạt động. Robot được trang bị nhiều
ăng-ten nhỏ xíu để phát hiện con người và chướng ngại vật. Những chiếc ăng-ten có thể
phát ra sóng siêu âm, tia hồng ngoại và tia laser để dò tìm các vật thể xung quanh robot.
Với khối lượng 25kg, TUG hoạt động nhờ hai motor điện một chiều có khả năng tự sạc
khi chúng không hoạt động. Khi lượng điện trong pin đạt mức tối đa, TUG sẽ hoạt động
liên tục trong 10 tiếng đồng hồ. TUG có thể mang vô số vật nặng lên tới 453kg, làm
những công việc nguy hiểm như tiếp xúc với các chất độc hại...[5]

Hình 2.4: Robot TUG
Khả năng giao tiếp với nhau của các robot ngày càng được nâng cao và TUG cũng
không phải trường hợp ngoại lệ. Chúng có thể “nói chuyện” với nhau trong hành lang
để trao đổi thông tin về lộ trình hiệu quả nhất để tới đích.

2.2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LINE
2.2.1. Giới thiệu
Nhận dạng ảnh là giai đoạn quan trọng của một hệ thống xử lý ảnh. Nhận dạng là
quá trình phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô hình nào đó. Ảnh được
chụp sẽ được phân tích thành các đặc trưng riêng biệt, với những đặc trưng đó ta đem đi

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

nhận dạng. [4]
Như vậy, để nhận dạng được line cần xác định các đặc điểm đặc trưng riêng biệt
của line như màu sắc, toạ độ trong khung hình để trích xuất vùng cần xử lý ảnh.

2.2.2. Thuật toán Contour
2.2.2.1. Giới thiệu
Contour là thuật toán được sử dụng trong xử lý ảnh nhằm tách, trích xuất các đối
tượng, tạo điều kiện để các xử lý sau được chính xác.[16]
Trong OpenCV, tìm đường viền cũng giống như tìm đối tượng màu trắng từ nền
đen. Vì vậy, đối tượng được tìm thấy nên có màu trắng và nền nên có màu đen. [9]

Hình 2.5: Ví dụ về đường viền (Contour)

Đường viền có thể được giải thích đơn giản là một đường cong nối tất cả các điểm
liên tục (dọc theo đường biên), có cùng màu hoặc cường độ. Các đường viền là một
công cụ hữu ích để phân tích hình dạng, phát hiện và nhận dạng đối tượng. [9]

2.2.2.2. Thuật toán
Có 4 thuật toán thông dụng nhất được sử dụng trong Contour tracking, gồm:


Square Tracing Algorithm. [16]



Moore – Neighbor Tracing. [16]



Radial Sweep. [16]



Theo Pavlidis’ Algorithm. [16]
Trong số đó, Square Tracing Algorithm và Moore – Neighbor Tracing dễ triển khai

nên được sử dụng phổ biến hơn cả. [16]
 Square Tracing algorithm: [16]
Thuật toán: Duyệt từ pixel ngoài cùng bên trái phía dưới, đi lên cho tới khi gặp

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 8