基于ROK101007以及TMS320C54x型DSP的家用醫(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(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Internet,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(Bluetooth)無(wú)線(xiàn)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,統(tǒng)稱(chēng)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。

控制系統(tǒng)以DSP(TMS320C54x)為核心部件,由藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信、GSM無(wú)線(xiàn)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。

⑴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。

⑵采用愛(ài)立信(Ericsson)公司的ROK101007型電路作為藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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。

⑷由于TMS320C54x只有1個(gè)串行口,而藍(lán)牙模塊、GSM無(wú)線(xiàn)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-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(xiàn)通信模塊的數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)電路選通;當(dāng)TMS320C54x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(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(duì)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(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。

⑵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)。

3.1 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:

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

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(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: