基于ROK101007以及TMS320C54x型DSP的家用醫(yī)療保健智能機器人設計

　　1引言

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

　　數字化家庭設計的一項主要內容是通信功能的實現,包括家庭與外界的通信及家庭內部相關設施之間的通信。從現在的發(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)的數字化家庭采用PC進行總體控制,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,通過它實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(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調完成總體系統(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)、電機驅動、數字羅盤、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)通過驅動電機和轉向電機控制機器人的運動,轉向電機利用數字羅盤的信息作為反饋量進行PID控制。

　?、撇捎脨哿⑿?Ericsson)公司的ROK101007型電路作為藍牙無線通信模塊,實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(yī)療保健儀器的通信。

　?、侵С諫PRS的GSM無線通信模塊支持數據、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。

　?、扔捎赥MS320C54x只有1個串行口,而藍牙模塊、GSM無線模塊、數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換處理。當TMS320C54x需要藍牙無線通信模塊的數據時通過電路選通;當TMS320C54x需要某個傳感器模塊的數據時,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

　　智能機器人對于數字化家庭的醫(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、音頻等數據結合各項生理參數數據傳給遠程醫(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)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:

　?、艌D像獲取。通過視覺傳感器(立體影像的CCDCAMERA)將3維環(huán)境圖像轉換為電信號。

　?、茍D像處理。圖像到圖像的變換,如特征提取。

　　⑶圖像理解。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: