家用醫(yī)療保健智能機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：未來(lái)社會(huì)將會(huì)越來(lái)越重視醫(yī)療保健服務(wù)，提出一種新型智能機(jī)器人，就其在數(shù)字化家庭醫(yī)療保健方面的應(yīng)用進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，并將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在智能機(jī)器人與醫(yī)療儀器和控制PC的通信中。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化家庭；智能機(jī)器人；傳感器；藍(lán)牙技術(shù)；醫(yī)療保??；ROKl01007；TMS320C54x

1 引言
    數(shù)字化家庭是未來(lái)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(luò)提供覆蓋整個(gè)家庭的智能化服務(wù)，包括數(shù)據(jù)通信、家庭娛樂(lè)和信息家電控制功能。

    數(shù)字化家庭設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要內(nèi)容是通信功能的實(shí)現(xiàn)，包括家庭與外界的通信及家庭內(nèi)部相關(guān)設(shè)施之間的通信。從現(xiàn)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(nèi)部的通信，筆者采用目前比較具有競(jìng)爭(zhēng)力的藍(lán)牙(Bluetootlh)無(wú)線接入技術(shù)。

    傳統(tǒng)的數(shù)字化家庭采用PC進(jìn)行總體控制，缺乏人性化。筆者根據(jù)人工情感的思想設(shè)計(jì)一種配備多種外部傳感器的智能機(jī)器人，將此智能機(jī)器人視作家庭成員，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化家庭的控制。

    本文主要就智能機(jī)器人在數(shù)字化家庭醫(yī)療保健方面的應(yīng)用進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，在智能機(jī)器人與醫(yī)療儀器和控制PC的通信采用藍(lán)牙技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)的成本較低，功能較為全面，擴(kuò)展應(yīng)用非常廣闊，具有極大的市場(chǎng)潛力。

2 智能機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
2．1 智能機(jī)器人的多傳感器系統(tǒng)
    機(jī)器人智能技術(shù)中最為重要的相關(guān)領(lǐng)域是機(jī)器人的多感覺(jué)系統(tǒng)和多傳感信息的集成與融合[1]，統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)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(jī)器人各關(guān)節(jié)的內(nèi)部傳感器信息融合使用，可使機(jī)器人完成實(shí)時(shí)圖像傳輸、語(yǔ)音識(shí)別、景物辨別、定位、自動(dòng)避障、目標(biāo)物探測(cè)等重要功能；給機(jī)器人加上相關(guān)的醫(yī)療模塊(CCD、CAMERA、立體麥克風(fēng)、圖像采集卡等)和專(zhuān)用醫(yī)療傳感器部件，再加上醫(yī)療專(zhuān)家系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)功能。智能機(jī)器人的多傳感器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2．2 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)
    機(jī)器人控制系統(tǒng)包含2部分：一是上位機(jī)，一般采用PC，它完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、傳感器信息融合控制算法、視覺(jué)處理、人機(jī)接口及遠(yuǎn)程處理等任務(wù)；二是下位機(jī)，一般采用多單片機(jī)系統(tǒng)或DSP等作為控制器的核心部件，完成電機(jī)伺服控制、反饋處理、圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別和通信接口等功能。

    如果采用多單片機(jī)系統(tǒng)作為下位機(jī)，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(diào)完成總體系統(tǒng)功能，但其在信號(hào)處理能力上明顯有所欠缺。由于DSP擅長(zhǎng)對(duì)信號(hào)的處理，而且對(duì)此智能機(jī)器人來(lái)說(shuō)經(jīng)常需要信號(hào)處理、圖像處理和語(yǔ)音識(shí)別，所以采用DSP作為智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制器[2]。

    控制系統(tǒng)以DSP(TMS320C54x)為核心部件，由藍(lán)牙無(wú)線通信、GSM無(wú)線通信(支持GPRS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字羅盤(pán)、感覺(jué)功能傳感器(視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)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。

    (1)系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向電機(jī)利用數(shù)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(lán)牙無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人與上位機(jī)Pc的通信和與其他基于藍(lán)牙模塊的醫(yī)療保健儀器的通信。

    (3)支持GPRS的GSM無(wú)線通信模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信息和傳真服務(wù)，采用手機(jī)通信方式與遠(yuǎn)端醫(yī)療監(jiān)控中心通信。

    (4)由于TMS320C54x只有1個(gè)串行口，而藍(lán)牙模塊、GSM無(wú)線模塊、數(shù)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(shè)計(jì)1個(gè)多選一串口通信模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。當(dāng)TMS320C54x需要藍(lán)牙無(wú)線通信模塊的數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)電路選通；當(dāng)T~MS320C54x需要某個(gè)傳感器模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)斷上次無(wú)線通信模塊的選通，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(yī)療保健功能的實(shí)現(xiàn)
    智能機(jī)器人對(duì)于數(shù)字化家庭的醫(yī)療保健可以提供如下的服務(wù)：
     (1)醫(yī)療監(jiān)護(hù)
    通過(guò)集成有藍(lán)牙模塊的醫(yī)療傳感器對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)機(jī)器人的處理系統(tǒng)提供本地結(jié)果。

    (2)遠(yuǎn)程診斷和會(huì)診
    通過(guò)機(jī)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(shù)據(jù)結(jié)合各項(xiàng)生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，由醫(yī)療中心的專(zhuān)家進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，結(jié)合醫(yī)療專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)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(xiàng)生理參數(shù))的服務(wù)[3]。

3．1機(jī)器人視覺(jué)與視頻信號(hào)的傳輸
    機(jī)器人采集的視頻信號(hào)有2種作用：提供機(jī)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?zhèn)鹘o遠(yuǎn)程醫(yī)療中心。

    機(jī)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(gòu)造出環(huán)境對(duì)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(zhuǎn)換為電信號(hào)。
    (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(chǔ)上給出環(huán)境描述。

    通過(guò)視頻信號(hào)的傳輸，遠(yuǎn)程醫(yī)療中心的醫(yī)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(jī)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(guò)程中，對(duì)于圖像傳送有2種不同條件的需求：

    (1)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(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(yī)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(fù)以保證實(shí)時(shí)性。

3．2機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)與音頻信號(hào)的傳輸
    機(jī)器人采集的音頻信號(hào)也有2種作用：一是提供機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)；二是借助于音頻信號(hào)，家庭成員可以和醫(yī)生進(jìn)行溝通，醫(yī)生可以了解家庭成員的健康狀況和心態(tài)。音頻信號(hào)的傳輸為醫(yī)生對(duì)家庭成員進(jìn)行醫(yī)療保健提供了語(yǔ)言交流的途徑。

    機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)是語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，醫(yī)療保健智能機(jī)器人帶有各種聲交互系統(tǒng)，能夠按照家庭成員的命令進(jìn)行醫(yī)療測(cè)試和監(jiān)護(hù)，還可以按照家庭成員的命令做家務(wù)、控制數(shù)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?shù)?，所以只用傳送頻率范圍在1000Hz-3000Hz的聲音，醫(yī)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(hào)所占用的帶寬，再采用合適的通信音頻壓縮協(xié)議即可滿足實(shí)時(shí)音頻的要求。智能機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)如圖3所示。

3．3各項(xiàng)生理信息的采集與傳輸
    傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備通過(guò)有線方式連到人體上進(jìn)行生理信息的采集，各種連線容易使病人心情緊張，從而導(dǎo)致檢測(cè)到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。使用藍(lán)牙技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，帶有藍(lán)牙模塊的醫(yī)療微型傳感器安置在家庭成員身上，盡量使其不對(duì)人體正?；顒?dòng)產(chǎn)生干擾，再通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備并對(duì)其進(jìn)行處理。

    在智能機(jī)器人上安裝1個(gè)帶有藍(lán)牙模塊的探測(cè)器作為接收設(shè)備，各種醫(yī)療傳感器將采集到的生理信息數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)教綔y(cè)器，探測(cè)器有2種工作方式：一是將數(shù)據(jù)交給智能機(jī)器人處理，提供本地結(jié)果；二是與Internet連接(也可以通過(guò)GSM無(wú)線模塊直接發(fā)回)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程醫(yī)療中心，達(dá)到醫(yī)療保健與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的目的。視頻和音頻數(shù)據(jù)的傳輸也采用這種方式。智能機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖4所示。

4 藍(lán)牙模塊的應(yīng)用
4．1藍(lán)牙技術(shù)概況
    藍(lán)牙技術(shù)[4]是用于替代電纜或連線的短距離無(wú)線通信技術(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×1MHz，k=0，1，2，…，78)ISM頻帶，并采用跳頻方式來(lái)擴(kuò)展頻帶，跳頻速率為1600跳/s。可得到79個(gè)1MHz帶寬的信道。藍(lán)牙設(shè)備采用GFSK調(diào)制技術(shù)，通信速率為1Mbit/s，實(shí)際有效速率最高可達(dá)721Kbit/s，通信距離為10m，發(fā)射功率為1mW；當(dāng)發(fā)射功率為100mW時(shí)，通信距離可達(dá)100m，可以滿足數(shù)字化家庭的需要。
4．2藍(lán)牙模塊
    ROKl01007型藍(lán)牙模塊[5]是愛(ài)立信公司推出的適合于短距離通信的無(wú)線基帶模塊。它的集成度高、功耗小(射頻功率為1mW)，支持所有的藍(lán)牙協(xié)議，可嵌入任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。該模塊包括基帶控制器、無(wú)線收發(fā)器、閃存、電源管理模塊和時(shí)鐘5個(gè)功能模塊，可提供高至HCI(主機(jī)控制接口)層的功能。單個(gè)藍(lán)牙模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4．3主，從設(shè)備硬件組成
    藍(lán)牙技術(shù)支持點(diǎn)到點(diǎn)PPP(Point-t0-Point Pro-tocol)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，用無(wú)線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連接成1個(gè)微微網(wǎng)[6]。每個(gè)微微網(wǎng)由1個(gè)主設(shè)備(Master)和若干個(gè)從設(shè)備(Slave)組成，從設(shè)備最多為7臺(tái)。主設(shè)備負(fù)責(zé)通信協(xié)議的動(dòng)作，MAC地址用3位來(lái)表示，即在1個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)可尋址8個(gè)設(shè)備(互聯(lián)的設(shè)備數(shù)量實(shí)際是沒(méi)有限制的，只不過(guò)在同一時(shí)刻只能激活8個(gè)，其中1個(gè)為主，7個(gè)為從)。從設(shè)備受控于主設(shè)備。所有設(shè)備單元均采用同一跳頻序列。
    將帶有藍(lán)牙模塊的微型醫(yī)療傳感器作為從設(shè)備，將智能機(jī)器人上的帶有藍(lán)牙模塊的探測(cè)器作為主設(shè)備。主從設(shè)備的硬件主要包括天線單元、功率放大模塊、藍(lán)牙模塊、嵌入式微處理器系統(tǒng)、接口電路及一些輔助電路。主設(shè)備是整個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的核心部分，要完成各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)從設(shè)備的管理和控制。

5 結(jié)束語(yǔ) 
    隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來(lái)越多的人需要家庭醫(yī)療保健服務(wù)。文中提出的應(yīng)用于數(shù)字化家庭醫(yī)療保健服務(wù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)的功能較為全面，且在家用智能機(jī)器人、基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家居和數(shù)字化醫(yī)院等方面的拓展應(yīng)用非常廣闊，具有極大的市場(chǎng)潛力。