医疗服务机器人功能设计及实现_张毅

正接收电路放大系数，再开始测量。
2.4 摄像头导航模块
2.4.1 摄像头硬件结构设计
由于所使用的MC9S12DG128单片机的频率较低，
最高只有25MHz，而摄像头的图像输出速率一般至少
有13.5MHz(以30万像素为例)，每个像素的信号保持
时间不到75ns，若使用单片机直接采集图像传感器
输出的数字信号，则会受到其时钟频率的影响，难
中心提取算法,获得路径的黑线位置。该算法的主要
思想是:针对每行获得的信号,找出每行黑线起点和终
点,取两个值的中值作为该行黑线的中心。在一场扫
描完之后,再对整个场中的黑线中心进行软件滤波,获
得更为准确的信息。具体过程如下:
(1)首先确定机器人行扫描的中心点,也就是以
38 《机器人技术与应用》双月刊 第 6 期
否满足相差不大于阈值来减小误差，以精确计算黑
线的相对位置。在光线比较好的情况下，简单地运
用上述算法即可求得比较准确的相对位置，此时也
不需要对阈值进行动态调整。当受到太阳光或其他
比较强烈的光线影响时，就需要设置动态阈值。光
线不好的情况下，采集的图像通常会出现凸起的情
形，黑线提取算法的出错几率会大大增加，为了避
两个边缘点。其中,起始点要求本身值为0,而且它上
一个值为1,此时将它作为黑线的起始点;结束点则同
样要求本身值为0,而且它的下一个值为1。同时,为
了防止有干扰,要求起始点要小于结束点,且差值大
于2,这就能保证至少有三个点表示黑线。
(3)在上面的基础上,可以顺利求出黑线中心的
横坐标位置。同样,当扫描完一场时,也就获得该场
技术应用 Technique and Application
医疗服务机器人功能设计及实现
张毅 孙纯兴 李敏 （重庆邮电大学自动化学院 重庆，40065）
摘 要：智能化机器人研究是当今科研领域的热点课题，而机器人向实际应用方向发展更有其重要的现实意义与长远的研发价值。 为了实现机器人的查房、送药、搬运、呼叫等功能，以AVR ATMega128 微控制器作为主处理器，增加了无半径零度转弯、 万向机械手、摄像头与超声波避障、语音控制等技术，并对其软硬件实现进行了一定的描述。该医疗与服务机器人在服务 等领域具有较大的应用价值和较好的市场前景，同时，指出了其优缺点，便于以后医疗与服务机器人的改进和创新。
FIFO的脚 R 上产生相应脉冲，即可从FIFO中读出图
像数据，按照一定格式存入内存，进行后续处理。
2.3.3 图像采集的处理方法
本设计将采集的模拟量数据存放在一个二维数
组中,当完成对一行数据的采集后,就可以对该行的
数据进行处理,即提取黑线的算法。在提取黑线上采
用边沿提取法，该算法具有对黑线反应灵敏、准确
图6 超声波发射电路
可以设置50项候选识别句，每个识别句
可以是单字，词组或短句，长度为不超
过10个汉字或者79个字节的拼音串。另
外，该芯片集成了语音识别处理器和一
图4 语音识别电路图
些外部电路，包括AD、DA 转换器、麦
克风接口、声音输出接口等。该芯片不
需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM
等，直接集成在现有的产品中即可以实
先要把摄像头输出数字信号，按照任务要求截取需
要的像素把它们储存起来并给每一个像素分配一个
2.2.1 语音识别芯片选型
Βιβλιοθήκη Baidu
医疗与服务机器人语音识别要求：
能通过语音识别控制机器人移动、抓
取、对话等；准确识别率高，达到95%以
上；非特定人语音识别；所需词汇量无
需太多，小词汇量语音识别足够。
ICRoute公司的LD3320芯片为非特
定人语音识别。不需要用户事先训练和
录音，识别准确率95%。每次识别最多
以提高驱动能力，上拉电阻R10、R20一方面可以提高
次求其平均值，然后采集温
反向器输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加波
度补偿值，用修正后的声速
换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
计算距离，延时后返回，修
图8 系统软件流程图
2011年11月30日 《机器人技术与应用》
37
技术应用 Technique and Application
位。
目前，我国服务机器人尚处于起步阶段，但
关于服务、医疗机器人的报道较多，其中针对机器
人的零半径转弯、路径识别及边缘检测、基于视觉
的机器人手臂控制、非特定人语音识别等，也有很
多相关研究。沈阳新松机器人自动化股份公司研制
出了一台名叫“亮亮”家庭机器
人。哈尔滨工业大学与海尔集团
合作开发出了一系列智能服务机
出有效像素时，HREF
为高，PCLK高电平时
像素数据有效，三者
“与非”后输出为
0，使信号产生一个 下跳，触发FIFO锁存
图11 图像采集电路时序仿真
OV7620输出的图像数
据。经过图10电路处理后的系统时序如图11所示。写
信号已符合脚的时序要求，经实际使用，功能正常。
当帧图像写入FIFO后，单片机根据时序要求在
识别——凹凸辨物及边缘检测，摄 像头与机械臂配合的定点指挥算 法，非特定人语音识别等综合关键 技术，国内还未见相关研究。
该机器人为自主控制机器人， 以AVR单片机作为主控，飞思卡尔 MC9S12DG128、89C51、C8051F340单 片机作为辅控，具有模拟医生护士 查房、送药、搬运等功能。实现了 通过模拟医生或者护士对病人进行 特殊的照顾，该技术可推动医疗卫 生事业向着高精尖科技的发展。
关键词：医疗服务机器人；零半径转弯；障碍物检测；语音识别
1 概述
在欧美、日本等发达国家，
服务机器人现在已广泛地应用于
五大领域：医疗福利服务、商场
超市服务、餐厅旅馆服务、维修
清洗服务和家庭生活服务。服务
机器人领域的研究组织有：美国
巴尔的摩约翰—霍普金斯大学三
维研究小组、英国伦敦的皇家学
院研究小组、意大利比萨圣安娜
现语音识别/声控/人机对话功能。并
且，识别的关键词语列表是可以任意动
图7 超声波接收电路
态编辑的。
基于LD3320可以在任何的电子产 品中，甚至包括最简单的51作为主控芯 片的系统中，轻松实现语音识别/声控/ 人机对话功能等功能特点，我们选用了
发声的时刻， x2 − x1 得出的是一个时间
差的绝对值，假定 x2 − x1 = 0.03s ，则 有340m/s × 0.03s = 10.2m 。所以在这
10.2m的时间里，超声波发出到遇到返
LD3320芯片为非特定人语音识别芯片，
射物返回的距离L为
由于语音识别、模块系统已被相关学者 研究的比较成熟，因此，我们选用了如 图4所示电路。 2.2.2 语音识别软件设计
否 图5 程序执行流程图
L = 340(m) × (x2 − x1) × S 2
整个系统
具体引脚功能请参加其数据手册。
可达到43cm，机械臂灵巧轻便，可以轻易的夹碎鸡
2.3.3 软件调试
蛋，适宜抓取立放物体，能灵活的抓取药品、转送
超声波测距的算法设计:超声波在空气中传播速度
病人，帮病人取递所需要的物品等。 2.2 语音控制模块
为340m/s（15℃时）。 x2 是声波返回的时刻， x1 是声波
以将信号完整地采集进系统。因此本系统使用FIFO
芯片IDT7205作为图
像传感器与单片机
之间的数据缓存，
通过设计一定的逻
辑电路，使图像传
感器自动地将图像
数据写入FIFO，同
时MCU开始从FIFO读 出数据。图像采集
图9 系统结构框图
系统结构框图如图9
所示。
OV7620是具有
自带图像敏感阵列和
A/D转换元件；自动
器人。同时，清华大学、南开大
学、天津大学等也都在服务机器
人方面有所研究。
结合当今一些较为前沿的
科学技术，采用较为人性化的设
计，我们设计出医疗服务机器
人 ， 具 有 零 半 径 转 弯 —— 旋 转 使
四个轮子位于同一个圆上，路径
图3 万向机械臂抓取模拟药瓶
36 《机器人技术与应用》双月刊 第 6 期
免这种情况,可以根据图像的变化趋势将阈值附加上
一个修正值。在进行下降沿检测时，可以在预先设
定的阈值上减去一个数值，以克服凸起处的变形造
成实际阈值的变小；上升沿检测时，可以在预先设
定的阈值上加上一个数值，克服图像呈上升趋势带
来的阈值变大修正值。
2.3.4 黑线中心提取
在获得路径二值信号的基础上,接下来采用黑线
图2 医疗服务机器人总设计框图
2 医疗服务机器人软硬件实现
2.1 轮式无半径转弯和万向机械臂 以轮式移动作为主要的移动
方式，在轮式的基础上做了改进， 利用强劲的舵机与电机，四个轮可 以在水平面内定点旋转，从而实现 了无半径转弯和360°任意方向前 进，打破了单一的前进方式，克服 了在实际应用中环境空间狭小转弯 不灵活的缺点，也使得系统运动更
满三个标志位。
2.3.2 数字图像信号的采集
为了将图像传感器输出的图像信号自动地存入
FIFO，只需要通过一个“与非门”就能产生符合FIFO
要求的写时钟脉冲。将帧同步信号VSYN 引入单片机
输入口，复位后V_EN置0，“与非门”关闭，输出1。
当单片机检测到VSYN上跳后，V_EN输出1，打开“与
非门”。当摄像头输
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稳定。
2.3.2 超声波接收电路
万向抓取机械臂长45cm、宽6cm，8个自由度，
使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号
为了使抓取范围尽可能大，自身质量更小，手抓由
进行放大、滤波，其总放大增益80db，CX20106A的
两个铝制手指所组成，大概200g，整个手臂伸展后
度高、抗干扰能力强等特点。
边沿提取法,即通过程序检测到上述图形的上升
沿和下降沿,然后通过上
升沿和下降沿位置求出黑
线的位置。
①通过i控制循环语
句不断检测上升沿或下降
沿。当第i个点的A/D值与
第i+2个点的A/D值之差大
于设定的阈值时,表明出
现了下降沿,这时读取i的
值。
②一旦出现了下降沿
,就开始不断地判断第i+2
中每行黑线中心的横坐标位置。
(4)最后对每场的黑线中心坐标进行软件调整。
2.3.5 消旋系统方案设计
摄像头输出的图像是由一帧一帧静止的画面
组成的，当摄像头旋转时，由于画面的帧间运动造
成图像的模糊，所以电子消旋方法是把每一帧画面
进行反向旋转，使每一帧画面都旋转到初始位置来
进行消旋。电子消旋系统方案的具体设计如下：首
增益、曝光、白平
衡，边缘增强、伽玛 校正等；IIC总线进
图10 信号采集电路
行设置；图像开窗输出的功能。从硬件上屏蔽了图像
中不需要的部分，只保留用户需要的部分图像，大大
减少了图像的数据量，提高了系统的效率。IDT7205
是IDT公司生产的高速、低功耗异步FIFO，容量为
8192×9bit，存取时间最小只有12ns，有空、半满、
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机器人为原点整个路径的坐标。通过实验,采集220
点的时候,110点正好处于以摄像头为垂直轴的原
点。这样,我们可以将每行的第110点作为横坐标上
的原点,左边的作为横坐标的负轴,右边的作为横坐
标的正轴。
(2)从第一个点开始依次向右判断,寻找黑线的
图1 医疗服务机器人
高等学院研究小组，另外法国和
德国还有一些研究小组。日本是世界上发展商业服
务机器人最早的国家，目前已有10多种服务型机器
人问世，推动本国商业服务机器人产业发展已成为
日本政府既定国策。现在，日本的松下电工、NEC、
索尼、丰田、本田等公司都在每年投资上亿美元开
发商业服务机器人，以保持自己在世界上的领先地
语音识别的操作顺序是：通用初始化→语音识
软件功能的实现可分为主
别用初始化→写入识别列表→开始识别，并准备好
程序、子程序和中断服务
中断响应函数，打开中断允许位。
程序几个部分。系统主程
2.3 超声波避障模块
序软件框图如图8所示。
2.3.1 超声波发射电路
主程序流程：系统上
单片机OC1端输出的40kHz方波信号一路经一级反
个点的A/D值与第i个点的
图12 图像采集软件流程图
A/D值之差是否大于设定 的阈值。如果大于则表
明检测到了上升沿,这时
也读取i的值。通过2次i的值,便能够求得黑线对应
的点是第几个点,进而求出黑线与小车轴线的相对位
置，其提取流程如图12所示。
通过判断下降沿位置和上升沿位置，来计算
黑线的相对位置，并通过判断上升沿之后的数据是
电后，首先对各寄存器及I/
向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级
O口初始化，设定初始接收
反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推
电路放大系数，然后开始测
挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高
量程序，收到回波则取计数
超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用
器值计算时间间隔，计数十