家用醫療保健智能機器人設計

數字化家庭設計的一項主要內容是通信功能的實(shí)現，包括家庭與外界的通信及家庭內部相關(guān)設施之間的通信。從現在的發(fā)展來(lái)看，外部的通信主要通過(guò)寬帶接入。Intenet，而家庭內部的通信，筆者采用目前比較具有競爭力的藍牙(Bluetootlh)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)。

傳統的數字化家庭采用PC進(jìn)行總體控制，缺乏人性化。筆者根據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(guò)它實(shí)現對數字化家庭的控制。

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

機器人智能技術(shù)中最為重要的相關(guān)領(lǐng)域是機器人的多感覺(jué)系統和多傳感信息的集成與融合[1]，統稱(chēng)為智能系統的硬件和軟件部分。視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等外部傳感器和機器人各關(guān)節的內部傳感器信息融合使用，可使機器人完成實(shí)時(shí)圖像傳輸、語(yǔ)音識別、景物辨別、定位、自動(dòng)避障、目標物探測等重要功能；給機器人加上相關(guān)的醫療模塊(CCD、CAMERA、立體麥克風(fēng)、圖像采集卡等)和專(zhuān)用醫療傳感器部件，再加上醫療專(zhuān)家系統就可以實(shí)現醫療保健和遠程醫療監護功能。智能機器人的多傳感器系統框圖如圖1所示。

2．2 智能機器人控制系統

機器人控制系統包含2部分：一是上位機，一般采用PC，它完成機器人的運動(dòng)軌跡規劃、傳感器信息融合控制算法、視覺(jué)處理、人機接口及遠程處理等任務(wù)；二是下位機，一般采用多單片機系統或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(yǔ)音識別和通信接口等功能。

如果采用多單片機系統作為下位機，每個(gè)處理器完成單一任務(wù)，通過(guò)信息交換和相互協(xié)調完成總體系統功能，但其在信號處理能力上明顯有所欠缺。由于DSP擅長(cháng)對信號的處理，而且對此智能機器人來(lái)說(shuō)經(jīng)常需要信號處理、圖像處理和語(yǔ)音識別，所以采用DSP作為智能機器人控制系統的控制器[2]。

控制系統以DSP(TMS320C54x)為核心部件，由藍牙無(wú)線(xiàn)通信、GSM無(wú)線(xiàn)通信(支持GPRS)、電機驅動(dòng)、數字羅盤(pán)、感覺(jué)功能傳感器(視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等)、醫療傳感器和多選一串口通信(Rs-232)模塊等組成，控制系統框圖如圖2所示。

(1)系統通過(guò)驅動(dòng)電機和轉向電機控制機器人的運動(dòng)，轉向電機利用數字羅盤(pán)的信息作為反饋量進(jìn)行PID控制。

(2)采用愛(ài)立信(Ericsson)公司的ROKl01007型電路作為藍牙無(wú)線(xiàn)通信模塊，實(shí)現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療保健儀器的通信。

(3)支持GPRS的GSM無(wú)線(xiàn)通信模塊支持數據、語(yǔ)音、短信息和傳真服務(wù)，采用手機通信方式與遠端醫療監控中心通信。

(4)由于TMS320C54x只有1個(gè)串行口，而藍牙模塊、GSM無(wú)線(xiàn)模塊、數字羅盤(pán)和視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)功能傳感器模塊都是采用RS一232異步串行通信，所以必須設計1個(gè)多選一串口通信模塊進(jìn)行轉換處理。當TMS320C54x需要藍牙無(wú)線(xiàn)通信模塊的數據時(shí)通過(guò)電路選通；當T~MS320C54x需要某個(gè)傳感器模塊的數據時(shí)，關(guān)斷上次無(wú)線(xiàn)通信模塊的選通，同時(shí)選通該次傳感器模塊。這樣，各個(gè)模塊就完成了與1~MS320C54x的串口通信。

3 主要醫療保健功能的實(shí)現

智能機器人對于數字化家庭的醫療保健可以提供如下的服務(wù)：

(1)醫療監護

通過(guò)集成有藍牙模塊的醫療傳感器對家庭成員的主要生理參數如心電、血壓、體溫、呼吸和血氧飽和度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過(guò)機器人的處理系統提供本地結果。

(2)遠程診斷和會(huì )診

通過(guò)機器人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)功能，將采集的視頻、音頻等數據結合各項生理參數數據傳給遠程醫療中心，由醫療中心的專(zhuān)家進(jìn)行遠程監控，結合醫療專(zhuān)家系統對家庭成員的健康狀況進(jìn)行會(huì )診，即提供望(視頻)、聞、問(wèn)(音頻)、切(各項生理參數)的服務(wù)[3]。

3．1機器人視覺(jué)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(jué)；將采集到的家庭成員的靜態(tài)圖像和動(dòng)態(tài)畫(huà)面傳給遠程醫療中心。

機器人視覺(jué)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(jué)包括3個(gè)過(guò)程：

(1)圖像獲取。通過(guò)視覺(jué)傳感器(立體影像的CCD CAMERA)將3維環(huán)境圖像轉換為電信號。

(2)圖像處理。圖像到圖像的變換，如特征提取。

(3)圖像理解。在處理的基礎上給出環(huán)境描述。

通過(guò)視頻信號的傳輸，遠程醫療中心的醫生可以實(shí)時(shí)了解家庭成員的身體狀況和精神狀態(tài)。智能機器人根據醫生的需要捕捉適合醫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。在醫療保健的過(guò)程中，對于圖像傳送有2種不同條件的需求：

(1)醫生觀(guān)察家庭成員的皮膚、嘴唇、舌面、指甲和面部表情的顏色時(shí)，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(shí)間(例如5分鐘)傳送1幅高清晰度靜態(tài)圖像。

(2)醫生借助動(dòng)態(tài)畫(huà)面查看家庭成員的身體移動(dòng)能力時(shí)，可以傳送分辨率較低和尺寸較小的圖像，采用的方法是進(jìn)行合理的壓縮和恢復以保證實(shí)時(shí)性。

3．2機器人聽(tīng)覺(jué)與音頻信號的傳輸

機器人采集的音頻信號也有2種作用：一是提供機器人聽(tīng)覺(jué)；二是借助于音頻信號，家庭成員可以和醫生進(jìn)行溝通，醫生可以了解家庭成員的健康狀況和心態(tài)。音頻信號的傳輸為醫生對家庭成員進(jìn)行醫療保健提供了語(yǔ)言交流的途徑。

機器人聽(tīng)覺(jué)是語(yǔ)音識別技術(shù)，醫療保健智能機器人帶有各種聲交互系統，能夠按照家庭成員的命令進(jìn)行醫療測試和監護，還可以按照家庭成員的命令做家務(wù)、控制數字化家電和照看病人等。

聲音的獲取采用多個(gè)立體麥克風(fēng)。由于聲音的頻率范圍大約是300Hz一3400Hz，過(guò)高或過(guò)低頻率的聲音在一般情況下是不需要傳輸的，所以只用傳送頻率范圍在1000Hz-3000Hz的聲音，醫生和家庭成員就可以進(jìn)行正常的交流，從而可以降低傳輸音頻信號所占用的帶寬，再采用合適的通信音頻壓縮協(xié)議即可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)音頻的要求。智能機器人的聽(tīng)覺(jué)系統如圖3所示。

3．3各項生理信息的采集與傳輸

傳統檢測設備通過(guò)有線(xiàn)方式連到人體上進(jìn)行生理信息的采集，各種連線(xiàn)容易使病人心情緊張，從而導致檢測到的數據不準確。使用藍牙技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，帶有藍牙模塊的醫療微型傳感器安置在家庭成員身上，盡量使其不對人體正?；顒?dòng)產(chǎn)生干擾，再通過(guò)藍牙技術(shù)將采集的數據傳輸到接收設備并對其進(jìn)行處理。

在智能機器人上安裝1個(gè)帶有藍牙模塊的探測器作為接收設備，各種醫療傳感器將采集到的生理信息數據通過(guò)藍牙模塊傳輸到探測器，探測器有2種工作方式：一是將數據交給智能機器人處理，提供本地結果；二是與Internet連接(也可以通過(guò)GSM無(wú)線(xiàn)模塊直接發(fā)回)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到遠程醫療中心，達到醫療保健與遠程監護的目的。視頻和音頻數據的傳輸也采用這種方式。智能機器人的數據傳輸系統如圖4所示。

4 藍牙模塊的應用

4．1藍牙技術(shù)概況

藍牙技術(shù)[4]是用于替代電纜或連線(xiàn)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它的載波選用全球公用的2．4GHz(實(shí)際射頻通道為f=2402+k