数字化家庭:智能机器人设计

　　2 智能机器人的总体设计

　　2．1 智能机器人的多传感器系统

　　机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合[1]，统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力 觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用，可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能；给机器人加上相关的医疗模块(CCD、CAMERA、立体麦克风、图像采集卡等)和专用医疗传感器部件，再加上医疗专家系统就可以实现医疗保健和远程医疗监护功能。智能机器人的多传感器系统框图如图1所示。

　　2．2 智能机器人控制系统

　　机器人控制系统包含2部分：一是上位机，一般采用PC，它完成机器人的运动轨迹规划、传感器信息融合控制算法、视觉处理、人机接口及远程处理等任务；二是下位机，一般采用多单片机系统或DSP等作为控制器的核心部件，完成电机伺服控制、反馈处理、图像处理、语音识别和通信接口等功能。

　　如果采用多单片机系统作为下位机，每个处理器完成单一任务，通过信息交换和相互协调完成总体系统功能，但其在信号处理能力上明显有所欠缺。由于DSP擅长对信号的处理，而且对此智能机器人来说经常需要信号处理、图像处理和语音识别，所以采用DSP作为智能机器人控制系统的控制器[2]。

　　控制系统以DSP(TMS320C54x)为核心部件，由蓝牙无线通信、GSM无线通信(支持GPRS)、电机驱动、数字罗盘、感觉功能传感器(视觉和听觉等)、医疗传感器和多选一串口通信(Rs-232)模块等组成，控制系统框图如图2所示。

　　(1)系统通过驱动电机和转向电机控制机器人的运动，转向电机利用数字罗盘的信息作为反馈量进行PID控制。

　　(2)采用爱立信(Ericsson)公司的ROKl01007型电路作为蓝牙无线通信模块，实现智能机器人与上位机Pc的通信和与其他基于蓝牙模块的医疗保健仪器的通信。

　　(3)支持GPRS的GSM无线通信模块支持数据、语音、短信息和传真服务，采用手机通信方式与远端医疗监控中心通信。

　　(4)由于TMS320C54x只有1个串行口，而蓝牙模块、GSM无线模块、数字罗盘和视觉听觉等感觉功能传感器模块都是采用RS一232异步串行通信，所以必须设计1个多选一串口通信模块进行转换处理。当TMS320C54x需要蓝牙无线通信模块的数据时通过电路选通；当T~MS320C54x需要某个传感器模块的数据时，关断上次无线通信模块的选通，同时选通该次传感器模块。这样，各个模块就完成了与1~MS320C54x的串口通信。

　　3 主要医疗保健功能的实现

　　智能机器人对于数字化家庭的医疗保健可以提供如下的服务：

　　(1)医疗监护

　　通过集成有蓝牙模块的医疗传感器对家庭成员的主要生理参数如心电、血压、体温、呼吸和血氧饱和度等进行实时检测，通过机器人的处理系统提供本地结果。

　　(2)远程诊断和会诊

　　通过机器人的视觉和听觉等感觉功能，将采集的视频、音频等数据结合各项生理参数数据传给远程医疗中心，由医疗中心的专家进行远程监控，结合医疗专家系统对家庭成员的健康状况进行会诊，即提供望(视频)、闻、问(音频)、切(各项生理参数)的服务[3]。

　　3．1机器人视觉与视频信号的传输

　　机器人采集的视频信号有2种作用：提供机器人视觉；将采集到的家庭成员的静态图像和动态画面传给远程医疗中心。

　　机器人视觉的作用是从3维环境图像中获得所需的信息并构造出环境对象的明确而有意义的描述。视觉包括3个过程：

　　(1)图像获取。通过视觉传感器(立体影像的CCD CAMERA)将3维环境图像转换为电信号。

　　(2)图像处理。图像到图像的变换，如特征提取。

　　(3)图像理解。在处理的基础上给出环境描述。

　　(1)医生观察家庭成员的皮肤、嘴唇、舌面、指甲和面部表情的颜色时，需要传送静态高清晰度彩色图像；采用的方法是间隔一段时间(例如5分钟)传送1幅高清晰度静态图像。

　　(2)医生借助动态画面查看家庭成员的身体移动能力时，可以传送分辨率较低和尺寸较小的图像，采用的方法是进行合理的压缩和恢复以保证实时性。

　　3．2机器人听觉与音频信号的传输

　　机器人采集的音频信号也有2种作用：一是提供机器人听觉；二是借助于音频信号，家庭成员可以和医生进行沟通，医生可以了解家庭成员的健康状况和心态。音频信号的传输为医生对家庭成员进行医疗保健提供了语言交流的途径。