家用醫(yī)療保健智能機(jī)器人設(shè)計(jì)

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(luò)提供覆蓋整個家庭的智能化服務(wù),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(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(lán)牙(Bluetooth)無線接入技術(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,通過它實(shí)現(xiàn)對數(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(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)時圖像傳輸、語音識別、景物辨別、定位、自動避障、目標(biāo)物探測等重要功能;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)和專用醫(yī)療傳感器部件,再加上醫(yī)療專家系統(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)動軌跡規(guī)劃、傳感器信息融合控制算法、視覺處理、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、語音識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),每個處理器完成單一任務(wù),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(jī)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(jī)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(lán)牙無線通信、GSM無線通信(支持GPRS)、電機(jī)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。

⑴系統(tǒng)通過驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動,轉(zhuǎn)向電機(jī)利用數(shù)字羅盤的信息作為反饋量進(jìn)行PID控制。

⑵采用愛立信(Ericsson)公司的ROK101007型電路作為藍(lán)牙無線通信模塊,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。

⑶支持GPRS的GSM無線通信模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、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。

⑷由于TMS320C54x只有1個串行口,而藍(lán)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(shè)計(jì)1個多選一串口通信模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。當(dāng)TMS320C54x需要藍(lán)牙無線通信模塊的數(shù)據(jù)時通過電路選通;當(dāng)TMS320C54x需要某個傳感器模塊的數(shù)據(jù)時,關(guān)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(shí)現(xiàn)

智能機(jī)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(wù):

⑴醫(yī)療監(jiān)護(hù)

通過集成有藍(lán)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(jìn)行實(shí)時檢測,通過機(jī)器人的處理系統(tǒng)提供本地結(jié)果。

⑵遠(yuǎn)程診斷和會診

通過機(jī)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(xiàng)生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程醫(yī)療中心,由醫(yī)療中心的專家進(jìn)行遠(yuǎn)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(jìn)行會診,即提供望(視頻)、聞、問(音頻)、切(各項(xiàng)生理參數(shù))的服務(wù)。

3.1 機(jī)器人視覺與視頻信號的傳輸

機(jī)器人采集的視頻信號有2種作用:提供機(jī)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(yuǎn)程醫(yī)療中心。

機(jī)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(gòu)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。

⑵圖像處理。圖像到圖像的變換,如特征提取。

⑶圖像理解。在處理的基礎(chǔ)上給出環(huán)境描述。

通過視頻信號的傳輸,遠(yuǎn)程醫(yī)療中心的醫(yī)生可以實(shí)時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。

⑵醫(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(jìn)行合理的壓縮和恢復(fù)以保證實(shí)時性。

3.2 機(jī)器人聽覺與音頻信號的傳輸機(jī)

器人采集的音頻信號也有2種作用:一是提供機(jī)器人聽覺;二是借助于音頻信號,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)。音頻信號的傳輸為醫(yī)生對家庭成員進(jìn)行醫(yī)療保健提供了語言交流的途徑。

機(jī)器人聽覺是語音識別技術(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立體麥克風(fēng)。由于聲音的頻率范圍大約是300Hz～3400

Hz,過高或過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)時音頻的要求。智能機(jī)器人的聽覺系統(tǒng)如圖3所示。

3.3 各項(xiàng)生理信息的采集與傳輸

傳統(tǒng)檢測設(shè)備通過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問題,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,盡量使其不對人體正?；顒赢a(chǎn)生干擾,再通過藍(lán)牙技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備并對其進(jìn)行處理。

在智能機(jī)器人上安裝1個帶有藍(lán)牙模塊的探測器作為接收設(shè)備,各種醫(yī)療傳感器將采集到的生理信息數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)教綔y器,探測器有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GSM無線模塊直接發(fā)回),通過網(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)是用于替代電纜或連線的短距離無線通信技術(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,并采用跳頻方式來擴(kuò)展頻帶,跳頻速率為1600跳/s,可得到79個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,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

ROK101007型藍(lán)牙模塊是愛立信公司推出的適合于短距離通信的無線基帶模塊。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、無線收發(fā)器、閃存、電源管理模塊和時鐘5個功能模塊,可提供高至HCI(主機(jī)控制接口)層的功能。單個藍(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-to-PointProtocol)和點(diǎn)對多點(diǎn)的通信,用無線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連接成1個微微網(wǎng)。每個微微網(wǎng)由1個主設(shè)備(Master)和若干個從設(shè)備(Slave)組成,從設(shè)備最多為7臺。主設(shè)備負(fù)責(zé)通信協(xié)議的動作,MAC地址用3位來表示,即在1個微微網(wǎng)內(nèi)可尋址8個設(shè)備(互聯(lián)的設(shè)備數(shù)量實(shí)際是沒有限制的,只不過在同一時刻只能激活8個,其中1個為主,7個為從)。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,同時還負(fù)責(zé)對各個從設(shè)備的管理和控制。

5結(jié)束語

隨著社會的進(jìn)步,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,越來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,具有極大的市場潛力。

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