基于藍牙和DSP的家用醫(yī)療保健智能機器人設計

　　1引言

　　數(shù)字化家庭是未來智能小區(qū)系統(tǒng)的基本單元。所謂“數(shù)字化家庭”就是基于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡提供覆蓋整個家庭的智能化服務,包括數(shù)據(jù)通信、家庭娛樂和信息家電控制功能。

　　數(shù)字化家庭設計的一項主要內(nèi)容是通信功能的實現(xiàn),包括家庭與外界的通信及家庭內(nèi)部相關設施之間的通信。從現(xiàn)在的發(fā)展來看,外部的通信主要通過寬帶接入Internet,而家庭內(nèi)部的通信,筆者采用目前比較具有競爭力的藍牙(Bluetooth)無線接入技術。

　　傳統(tǒng)的數(shù)字化家庭采用PC進行總體控制,缺乏人性化。筆者根據(jù)人工情感的思想設計一種配備多種外部傳感器的智能機器人,將此智能機器人視作家庭成員,通過它實現(xiàn)對數(shù)字化家庭的控制。

　　本文主要就智能機器人在數(shù)字化家庭醫(yī)療保健方面的應用進行模型設計,在智能機器人與醫(yī)療儀器和控制PC的通信采用藍牙技術。整個系統(tǒng)的成本較低,功能較為全面,擴展應用非常廣闊,具有極大的市場潛力。

　　2智能機器人的總體設計

　　2.1 智能機器人的多傳感器系統(tǒng)

　　機器人智能技術中最為重要的相關領域是機器人的多感覺系統(tǒng)和多傳感信息的集成與融合,統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)的硬件和軟件部分。視覺、聽覺、力

　　覺、觸覺等外部傳感器和機器人各關節(jié)的內(nèi)部傳感器信息融合使用,可使機器人完成實時圖像傳輸、語音識別、景物辨別、定位、自動避障、目標物探測等重要功能;給機器人加上相關的醫(yī)療模塊(CCD、CAMERA、立體麥克風、圖像采集卡等)和專用醫(yī)療傳感器部件,再加上醫(yī)療專家系統(tǒng)就可以實現(xiàn)醫(yī)療保健和遠程醫(yī)療監(jiān)護功能。智能機器人的多傳感器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　2.2 智能機器人控制系統(tǒng)

　　機器人控制系統(tǒng)包含2部分:一是上位機,一般采用PC,它完成機器人的運動軌跡規(guī)劃、傳感器信息融合控制算法、視覺處理、人機接口及遠程處理等任務;二是下位機,一般采用多單片機系統(tǒng)或DSP等作為控制器的核心部件,完成電機伺服控制、反饋處理、圖像處理、語音識別和通信接口等功能。

　　如果采用多單片機系統(tǒng)作為下位機,每個處理器完成單一任務,通過信息交換和相互協(xié)調(diào)完成總體系統(tǒng)功能,但其在信號處理能力上明顯有所欠缺。由于DSP擅長對信號的處理,而且對此智能機器人來說經(jīng)常需要信號處理、圖像處理和語音識別,所以采用DSP作為智能機器人控制系統(tǒng)的控制器。

　　控制系統(tǒng)以DSP(TMS320C54x)為核心部件,由藍牙無線通信、GSM無線通信(支持GPRS)、電機驅(qū)動、數(shù)字羅盤、感覺功能傳感器(視覺和聽覺等)、醫(yī)療傳感器和多選一串口通信(RS-232)模塊等組成,控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　?、畔到y(tǒng)通過驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機控制機器人的運動,轉(zhuǎn)向電機利用數(shù)字羅盤的信息作為反饋量進行PID控制。

　　⑵采用愛立信(Ericsson)公司的ROK101007型電路作為藍牙無線通信模塊,實現(xiàn)智能機器人與上位機PC的通信和與其他基于藍牙模塊的醫(yī)療保健儀器的通信。

　?、侵С諫PRS的GSM無線通信模塊支持數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真服務,采用手機通信方式與遠端醫(yī)療監(jiān)控中心通信。

　　⑷由于TMS320C54x只有1個串行口,而藍牙模塊、GSM無線模塊、數(shù)字羅盤和視覺聽覺等感覺功能傳感器模塊都是采用RS-232異步串行通信,所以必須設計1個多選一串口通信模塊進行轉(zhuǎn)換處理。當TMS320C54x需要藍牙無線通信模塊的數(shù)據(jù)時通過電路選通;當TMS320C54x需要某個傳感器模塊的數(shù)據(jù)時,關斷上次無線通信模塊的選通,同時選通該次傳感器模塊。這樣,各個模塊就完成了與TMS320C54x的串口通信。

　　3主要醫(yī)療保健功能的實現(xiàn)

　　智能機器人對于數(shù)字化家庭的醫(yī)療保健可以提供如下的服務:

　?、裴t(yī)療監(jiān)護

　　通過集成有藍牙模塊的醫(yī)療傳感器對家庭成員的主要生理參數(shù)如心電、血壓、體溫、呼吸和血氧飽和度等進行實時檢測,通過機器人的處理系統(tǒng)提供本地結(jié)果。

　?、七h程診斷和會診

　　通過機器人的視覺和聽覺等感覺功能,將采集的視頻、音頻等數(shù)據(jù)結(jié)合各項生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳給遠程醫(yī)療中心,由醫(yī)療中心的專家進行遠程監(jiān)控,結(jié)合醫(yī)療專家系統(tǒng)對家庭成員的健康狀況進行會診,即提供望(視頻)、聞、問(音頻)、切(各項生理參數(shù))的服務。

　　3.1 機器人視覺與視頻信號的傳輸

　　機器人采集的視頻信號有2種作用:提供機器人視覺;將采集到的家庭成員的靜態(tài)圖像和動態(tài)畫面?zhèn)鹘o遠程醫(yī)療中心。

　　機器人視覺的作用是從3維環(huán)境圖像中獲得所需的信息并構造出環(huán)境對象的明確而有意義的描述。視覺包括3個過程:

　　⑴圖像獲取。通過視覺傳感器(立體影像的CCDCAMERA)將3維環(huán)境圖像轉(zhuǎn)換為電信號。

　?、茍D像處理。圖像到圖像的變換,如特征提取。

　?、菆D像理解。在處理的基礎上給出環(huán)境描述。

　　通過視頻信號的傳輸,遠程醫(yī)療中心的醫(yī)生可以實時了解家庭成員的身體狀況和精神狀態(tài)。智能機器人根據(jù)醫(yī)生的需要捕捉適合醫(yī)療保健和診斷需求的圖像,有選擇地傳輸高分辨率和低分辨率的圖像。在醫(yī)療保健的過程中,對于圖像傳送有2種不同條件的需求:

　　⑴醫(yī)生觀察家庭成員的皮膚、嘴唇、舌面、指甲和面部表情的顏色時,需要傳送靜態(tài)高清晰度彩色圖像;采用的方法是間隔一段時間(例如5分鐘)傳送1幅高清晰度靜態(tài)圖像。

　?、漆t(yī)生借助動態(tài)畫面查看家庭成員的身體移動能力時,可以傳送分辨率較低和尺寸較小的圖像,采用的方法是進行合理的壓縮和恢復以保證實時性。