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)計的一項主要內(nèi)容是通信功能的實現(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牙(Bluetooth)無線接入技術(shù)。
傳統(tǒng)的數(shù)字化家庭采用PC進行總體控制,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(xiàn)對數(shù)字化家庭的控制。
本文主要就智能機器人在數(shù)字化家庭醫(yī)療保健方面的應(yīng)用進行模型設(shè)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(shù)。整個系統(tǒng)的成本較低,功能較為全面,擴展應(yīng)用非常廣闊,具有極大的市場潛力。
2智能機器人的總體設(shè)計
2.1 智能機器人的多傳感器系統(tǒng)
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(guān)節(jié)的內(nèi)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(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)就可以實現(xiàn)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(wù);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(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(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)動電機和轉(zhuǎn)向電機控制機器人的運動,轉(zhuǎn)向電機利用數(shù)字羅盤的信息作為反饋量進行PID控制。
⑵采用愛立信(Ericsson)公司的ROK101007型電路作為藍牙無線通信模塊,實現(xiàn)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。
⑶支持GPRS的GSM無線通信模塊支持數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真服務(wù),采用手機通信方式與遠端醫(yī)療監(jiān)控中心通信。
⑷由于TMS320C54x只有1個串行口,而藍牙模塊、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1個多選一串口通信模塊進行轉(zhuǎn)換處理。當(dāng)TMS320C54x需要藍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)療保健功能的實現(xiàn)
智能機器人對于數(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
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(shù)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(jié)果。
⑵遠程診斷和會診
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(shù)據(jù)結(jié)合各項生理參數(shù)數(shù)據(jù)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(jié)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(shù))的服務(wù)。
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(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(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,采用的方法是進行合理的壓縮和恢復(fù)以保證實時性。
3.2 機器人聽覺與音頻信號的傳輸機
器人采集的音頻信號也有2種作用:一是提供機器人聽覺;二是借助于音頻信號,家庭成員可以和醫(yī)生進行溝通,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)生對家庭成員進行醫(yī)療保健提供了語言交流的途徑。
機器人聽覺是語音識別技術(shù),醫(yī)療保健智能機器人帶有各種聲交互系統(tǒng),能夠按照家庭成員的命令進行醫(yī)療測試和監(jiān)護,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。
