（机械电子工程专业论文）基于arm的护理服务机器人远程监护控制系统.pdf

摘要 摘要 随着嵌入式技术和网络技术的不断发展与成熟，基于嵌入式网络远程控制 技术进一步改变了传统的集中式控制及现场总线控制的方式，成为嵌入式技术 和网络技术的一个新的结合点，越来越受人们的关注与重视，并成为当前嵌入 式远程控制领域的一个研究热点。 当前，我国人口老龄化进程逐步加快，需要照顾的人群也日益增多。如何 使这些人群得到更好的照顾，同时又如何减轻护理人员的工作负担，已经成为 亟待解决的社会问题。针对这些问题，为打破护理工作受空间限制的局限性， 使远程协助照顾成为可能，本文利用当前比较热门的嵌入式技术、网络技术进 行了护理服务机器人远程监护控制的研究。 首先，介绍了护理服务机器人技术、远程监护技术和机器入网络控制技术 的发展概况，并在分析本实验室自行设计、研制的护理服务机器人的结构和功 能的基础上，进行了护理服务机器人远程监护控制系统的整体方案设计。 随后，根据护理服务机器人的行走功能及体位调整功能的需求，设计了直 流电机驱动电路。针对护理服务机器对人体体温采集的问题，提出了一种非接 触式多方位红外体温检测的方法并利用红外热电堆传感器t p s 3 3 4 设计了红外测 温电路。 接下来，实现了嵌入式远程控制终端基础软件系统的搭建。主要内容包括 交叉编译环境的建立、u b o o t 的移植、嵌入式l i n u x 内核的配置与移植、直流 电机驱动程序和红外测温驱动程序的开发、根文件系统的制作与移植。该系统 的实现为上层应用程序开发提供必要的软件支撑环境。 最后，利用嵌入式w e b 服务器技术、c g i 技术、h t m l 和j a v a s c r i p t 技术， 移植了嵌入式w e b 服务器b o a 并进行了相应功能的测试，开发了服务端和客户 端的应用程序，实现了因特网远程服务机器人控制和体温、脉搏远程人体参数 模拟采集。针对本系统的网络时延问题，采用一种基于占- s v r 的静态网络时延 预测算法进行了时延补偿控制实验，结果表明其效果良好。 关键词：护理服务机器人、a r m 、l i n u x 、b o a 、c g i 、网络时延预测 i i i a b s t r a c t a b s t r a ct w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n de m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a l c o n t r o lt e c h n o l g i e ss u c ha sc e n t r a l i z e dc o n t r o l ，f i e l db u sc o n t r o l ，e t c h a v eb e e n c h a n g e dd u et ot h ee m b e d d e dr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hh a sb e e nb e c o m i n ga n e wr e s e a r c hh o t s p o to f m a n yr e s e a r c h e r s w i t ht h ea c c e l e r a t e ds p e e do fp o p u l a t i o na g i n gi nc h i n a , t h ep r o b l e mo fo l d a g e p o p u l a t i o nc a r eh a sb e c o m e af o c u so fs o c i e t y h o wt ot a k eb e t t e rc a r eo ft h e m ，a n d h o wt or e d u c et h ea m o u n to fn u r s o sa r ev e r yi m p o r t a n tb e c a u s eo fl e s sl a b o u r si n a g i n gs o c i e t y i nt h i sp a p e r , an o v e lt e c h n o l o g yb a s e do ne m b e d d e dr e m o t ec o n t r o lf o r w h e e l c h a i r - b e ds e r v i c er o b o ti sp r o p o s e dt od e a l 、历t ht h ep r o b l e m f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h en u r s i n gs e r v i c er o b o t , a n di n t e m e t - b a s e dr o b o t r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o ga r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r t h es y s t e m s t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h er e m o t ee m b e d d e dc o n t r o ls y t e r na r eg i v e nf o rt h e w h e e l c h a i r - b e ds e r v i c er o b o t ，w h i c hi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yo u rt e a mi nl a b s u b s e q u e n t l y , a c c o r d i n gt ov a r i o u sf u n c t i o nr e q u i r e m e n t sf o rt h en u r s i n gs e r v i c e r o b o t ，w h i c hc a l lb eah i g hi n t e l l i g e n tt r a n s p o r tt o o l ，a sw e l la st om e e tt h ed i v e r s e p o s i t i o nd a i l yn u r s i n gn e e d sa n di n t e l l i g e n tw a t e r _ c l o s e tf u n c t i o na th o m eo ri nt h e h o s p i t a l ，w ed e s i g nad c m o t o rd r i v ec i r c u i t a i m i n ga tt h ep r o b l e mo ft h en u r s i n g s e r v i c er o b o t sc o l l e c t i o no fb o d yt e m p e r a t u r e s ，i nt h i s p a p e r , an o n - c o n t a c t m u l t i d i r e c t i o n a li n f r a r e d b o d yt e m p e r a t u r ep r o b i n gm e t h o di sp r o p o s e d ，a n da i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc i r c u i ti s d e s i g n e dw i t ht h e r m o p i l ei n f r a r e d d e t e c t o rt p s 3 3 4 n e x t ，w eb u i l dab a s e ds o f t w a r es y s t e mf o re m b e d d e dr e m o t ec o n t r o lt e r m i n a l i t m a i n l yi n c l u d e sc o n f i g u r i n ga n db u i l d i n ga l la p p r o p r i a t eg n ut o o l c h a i n ，t r a n s p l a n t - i n gu - b o o t ，c u s t o m i z i n ga n dt r a n s p l a n t i n ge m b e d d e dl i n u xk e m e l ，d e v e l o p i n g r e l e v a n tl i n u xd e v i c ed r i v e r ss u c ha sd cm o t o rd r i v e ra n di n f r a r e dt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n td r i v e r ,a n d s e t t i n gu p a n d t r a n s p l a n t i n g r o o t f i l e s y s t e m t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h i ss y s t e mp r o v i d e st h en e c e s s a r ys o f t w a r es u p p o r te n v i r o n m e n t f o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e no ft h eu p p e rl a y e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r e v a b s t r a c t 一一 一一 f i n a l l y u s i n gt h ee m b e d d e dw e bs e r v e rt e c h n o l o g y , c g it e c h n o l o g y , h t m l t e c l m 0 1 0 鳜a n dj a v a s c r i p tt e c h n o l o g y , w et r a n s p l a n te m b e d d e d w e bs e r v e rb o a 觚d t e s ti t s 劬c t i o ns u c c e s s 触l y ，a n dd e v e l o pt h ea p p l i c a t i o n ss o f t w a r e ms e r v e ra i l d c l i 础t i l e n ，w ei m p l e m e n tt h er e m o t ec o n t r o lf o rt h ei n t e r n e t - b a s e dn u l s m g s e r v l c e r o b o t ，锄dc 邺0 u t 洲a ：t i o ne x p 锄吣o n t h er e m o t ec o l l e c t i o nf o rt h e8 1 9 n a l so f b o d yt e r n p c r a t l l l 螂a n dp u l s e s a d o p t i n ga s t a t i cn e t w o r kd e l a yp r e d i c t i o na l g o r i t h m b a s e d0 n s v r ，w ea l s om a k ee x p e r i m e n t si nt i m ed e l a yc o m p e n s a t i o n c o 蛐r o lt o r m ep r o b l 锄o fn e t w o r kd e l a yi nt h i ss y s t e m ，a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o d w o r k sw e l li nm ep r e d i c t i o no fn 咖o r k d e l a v k e vw o r d s ：阳r s i n gs e r v i c er o b o t ；a r m ；l i n u x ；b o a ；c g i ；n e t 、舯r k d e l a yp r 酏1 c 乜0 n v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着社会的进步，嵌入式技术、网络技术及信息技术的发展，人们对生活 中所用到的产品及服务设施的智能性、易用性、功能多样性等要求也越来越高。 虽然我国在众多领域取得了非常令人瞩目的成就，但作为一个发展中国家，与发 达国家相比，我国仍然存在很多不足的方面。当然这与本国国情是分不开的。 我国人口多，人口基数大，过去为了控制人口数量，极力实施计划生育政策， 造成目前我国人口老龄化的速度加快。根据2 0 1 0 年第六次全国人口普查结果表 明，我国o 1 4 岁人口占1 6 6 0 ，比2 0 0 0 年人口普查下降6 2 9 个百分点；6 0 岁 及以上人口占1 3 2 6 ，比2 0 0 0 年人口普查上升2 9 3 个百分点，其中6 5 岁及以 上人口占8 8 7 ，比2 0 0 0 年人口普查上升1 9 1 个百分点。这些数据充分说明了 我国人口年龄结构发生了变化，老龄化进程逐步加快。据估计，“十二五”期间 全国老年人口将突破2 亿，其中8 0 岁以上老年人口将超过2 6 0 0 万。这进一步 反映出我国人口老龄化进程大大加快【卜3 1 。由于老龄人口的各项生理功能都处在 较差的状态，因此患病的可能性更大。据调查，在老龄人口中至少患有一种慢 性病的人，所占比例为7 9 1 。在他们当中，大部分已经失去了自理能力，需要 他人的长期照顾，对社会、家庭的依赖程度大。 当前，我国人口老龄化问题所表现的主要矛盾是：人口老龄化的进程过快 与当前的社会经济发展速度不协调。因为越是经济发达国家，他们的医疗和社 会保障体系就越健全越完善，人们的寿命也就越长，所以相对来说人口老龄化 的程度应高些。然而我国还是一个发展中国家，还处在社会主义的初级阶段， 人口老龄化的进程速度反而超过了经济发达国家，因此由于人口老龄化引发的 社会问题必须得以重视。它不仅给医疗系统带来压力，而且给社会保障系统也 带来压力，同时还增添了家庭的负担。因为我国高龄老年人的照顾主要是来自 家庭的子女。如今长期卧床的老年人越来越多，护理难度又大，这个社会问题 尤为突出【4 1 。 随着社会老龄化进程的加快，计划生育政策的落实，我国的“空巢家庭 现象也随之而产生。所谓“空巢家庭 ，是指没有儿子或女儿或者虽然有子女， 第1 章绪论 但他们却不在身边的纯老人家庭【5 】。产生这种现象的因素很多，比如当前的就业 形式与就业压力，子女的个人生活价值观，独生子女家庭的增多等等。据了解， 我国现在的家庭“空巢率高达2 6 4 ，与1 9 8 7 年相比，高出了1 0 ，并且这 一趋势还逐年有所增加。按照这样的情形发展下去，在未来十年内我国的“空 巢家庭 将会占社会整个家庭总数的9 0 ，甚至更高t 6 1 。这种现象的产生使得很 多老龄人没有得到应有照顾，这问题在农村家庭里更加突出。 如何解决社会老龄化的速度过快与经济发展不协调的矛盾，如何进一步完 善社会医疗保障体系，如何解决子女不受空间的限制去照顾老龄人，以及用何 种方式让那些长期卧床的病人或不能自理的老年人享受到与j 下常人一样的生活 方式，这些问题都是我国当今要解决的社会问题。 针对以上的种种问题，因此，探索一种前沿关键技术，研发出一种高科技 产品，形成老年人或残疾人生活的新观念及新模式越显重要。我国的科研工作 者在这方面也付出了巨大的努力，研发出了一系列的各式各样的多功能护理床 和多功能轮椅。然而把护理床与轮椅二者功能集于一体的产品( 轮椅床) 还少 见。为解决“空巢家庭所引发的社会问题，使本实验室的智能轮椅床具有多 功能的集合，并使完全没有一点自理能力的人，甚至失去语言功能的患者得到 自己家人或亲人的远程协助照顾，同时又让自己的亲人或家人能随时随地的监 视到病人的一些生理状况信息，并使老年人或残疾人在家或社区能够得到与医 院同样的服务，这对提高我国的医疗及保健水平有重要的意义。 因此，研发出一种轮椅床的远程监护系统更显得必要。这样本系统不仅解 决了高龄老人和瘫痪病人的出行和护理问题，又解决了子女因工作需要而不能 在身边照顾老年人或瘫痪病人问题，因为因特网遍及全球，不受空间、距离的 限制。由此可见，护理服务机器人远程监护控制系统，极具社会和经济价值， 具有广阔的发展前景。 1 2 国内外研究现状 护理服务机器人是机器人科学研究的热点之一，也是一个国家科技实力的 体现。欧美地区的发达国家在这方面投入研究的比较早，日本是一个后起之秀， 并走到了世界的前列。在远程监护控制方面，我国依然落后于发达国家，美国 很早就在远程监护控制方面进行了研究。在2 0 世纪7 0 年代，美国航天局就将 2 第1 章绪论 远程监护技术运用到监测宇航员的重要生理参数当中。如今随着嵌入式技术， 网络技术，信息技术的发展，远程监护控制技术的发展更是如火如荼。 1 2 1 护理服务机器人的分类及现状 护理型服务机器人的种类很多，形式各样，根据他们移动工作方式的不同， 一般可以分为：工作站式、基于轮椅式、移动式，基于护理床式等0 1 。 ( 一) 工作站式护理机器人 此类机器人的机械手安装在一个固定的平台上，它活动的范围也是固定的， 因此它服务的对像也是在固定位置的人或不便走动的人。这种机器人和工业机 器人很类式，也正是一个将早期工业机器人成功应用于康复护理领域的实例。 国外研发成功的例子如：美国的d e v a r 系统( 如图1 1 ) ，英国的d e v a r 系统 和h a n d y l 护理机器人( 如图1 2 ) ，法国的m a s t e r 系统等。 图1 1d e v a r 护理服务机器人 图1 2h a n d y l 护理服务机器人 ( 二) 基于轮椅式护理机器人 在从事智能轮椅机器人研发方面，英国比较早，它在1 9 8 6 年就开始了，后 来许多国家都重视这方面的研发，并投入了大量的资金，研发的成果显著。如 法国在1 9 8 9 年就研制出了具有手动、自动、半自动三种模式的多功能智能轮椅； 西班牙在19 9 6 年研发出了具有五种人机交互方式并有一个高级决策导航的智能 轮椅。此外还有德国乌尔姆大学的m a i d 轮椅机器人，美国麻省理工学院的具 有避障功能的智能轮椅威斯利，日本研发的声控轮椅等等。我国这在方面虽然 起步比较晚，但进展速度非常快，目前几乎接近国际先进水平。例如中国科学 院运用多传感器信息融合技术，口令识别与语音合成技术，研制出了一种既有 视觉功能，又有口令导航功能，同时还能进行多模态交互的智能轮椅式护理机 器人【1 1 1 。在2 0 1 0 年上海交通大学也展出了自己研发的具有语音识别，智能避障 3 第1 章绪论 和自主路径规划等功能的智能轮椅机器人。 ( 三) 移动式护理机器人 由于工作站式护理机器人活动范围受到限制，它是在固定的范围内活动， 因而有一定的局限性，为了克服这一缺点，科研工作者就将机械手安装在可以 移动的小车上或移动机器人上，这样就扩大了护理机器人的活动空间，这样就 产生了移动式护理机器人。例如美国的全自主移动护理机器人h e l p m a t e ( 如图1 3 所示) 。它可用来运输物品，还可以操纵电梯升降，应用的场合比较 广泛，像在家庭、收发室、档案室等地方都适用。日本在这方面也做得非常出 色，在2 0 0 6 年，研发出了一种护理机器人r i m a n ( 如图1 4 ) 。它具有很高的 智能性，并具有触觉、视觉、听觉、嗅觉等功能。它能够通过视觉和听觉找到 呼唤者，并可完成呼唤者的指令要求，如抱起病人等，还能通过嗅觉判断它所 抱的对像的健康情况等。法国研发的移动式护理机器人a r p h ，实现了在工作站 远程控制机器人的定位与抓取操作等功能。 图1 3h e l p m a t e 护理机器人图1 4r i m a n 护理机器人 ( 四) 基于护理床式护理机器人 此类机器人是利用多传感器融合技术、网络技术、图像处理技术，实现人 体参数的智能监护、自主移动、智能座便、远程控制等功能。主要服务于老年 人、骨伤疗养者以及失去自理能力需要照顾的人。 目前在这方面的技术，主要掌握在欧美、日本等发达国家。如美国研发的 一款基于护理床式的护理机器人( 如图1 5 ) ，它是轮椅与护理床的融合，并能 在二者之间自由切换，能代替人自由行走等功能。我国在这方面，现在也有好 4 第1 章绪论 多公司研发生产护理床，如北京卡尔金医学技术有限公司的达尔梦达电动护理 床d b 3 ( 如图1 6 ) 。然而我国生产的大多数还停留在中低端产品，还没有从真 正意义上实现护理床式的护理机器人。 图1 5d e v i c e l i n k 公司护理机器人 1 2 2 远程监护的研究现状 在远程监护技术研发方面，国外依然遥遥领先于我国，他们很早就开始从 事这方面的研发，开始是用在航天领域，随社会老龄化问题的出现，目前就广 泛应用于健康保健、远程医疗等领域。远程监护的方式也很多，根据连接方式 的不同，可分为：p s t n ( p u b l i cs w i t c ht e l e p h o n en e t w o r k 公共电话交换网) 接 入式、无线接入式、卫星接入式及i n t e m e t 接入等。 以p s t n 接入的，有日本东海大学研发的心血管疾病远程会诊系统【l2 1 。在 无线接入方面，有香港大学的w a p 远程监护系统，这系统可以浏览心电图波形， 并能进行心率的计算，同时还可以测量血压，实现患者与医生之间信息交互等 功能【1 3 1 。在运用卫星接入方式方面，美国航天局很早就将它应用在航天方面， 对宇航员的各项生理参数进行远程监护，地面工作站人员将通过卫星传来的生 理参数信息进行整理分析，然后对宇航员的生理状态做出评价。随着当今网络 技术、嵌入式技术的发展，基于i u t e r n e t 的远程监护也越来越多，如法国的a l f r e a o i h e r n c i n d e z 等人设计的远程心电监护系统【1 4 】。 我国在2 0 世纪8 0 年代才开始从事远程监护方面的研究，1 9 8 2 年，我国首 次利用e m a i l 进行远程会诊，但效果不佳，存在许多问题。随后我国的第三军 医大学从事了“8 6 3 医疗监护系统研究，实现了多生理参数监护网络系统，这 系统是通过无线接收发送传输信息的，主要是对心电与血压进行远程监护。西 安交通大学与清华大学在这方面也投入大量的人力与财力进行研究，取得的效 5 第1 章绪论 果显著。西安大学研制了远程医疗保健家庭监护网，成功实现了人体多生理参 数的实时监护。清华大学也研制了心电与血压远程监护系统。目前我国在这方 面发展的速度比较快，但与发达国家相比差距还是比较大。 1 2 3 机器人网络控制研究现状 基于网络的机器人就是利用网络对机器人实现远程控制，这一思想是由美 国的k e ng o l d b e r g 在1 9 9 4 年最早提出来的f i5 1 。他当初的想法是想通过i n t e r n e t 远程访问并控制机器人，不久后就将这一想法用到了自己的m e r c u r yp r o j e c t 项 目中，初步实现了可通过i n t e m e tw e b 浏览器远程控制s c a r a 机器人在沙中挖 掘物品。经一年多的努力，后来实现了更复杂的远程培植操作，如播种、浇水 等一系列操作。 几乎是在同一期间，西澳大利亚大学的k e n n e t ht a y l o r 在1 9 9 4 年l o 月也实 现了通过i n t e r a c t 访问并控制一个具有六个自由度的遥操作机械手臂【1 6 】，完成搬 。运和搭建积木的操作。这个系统主要是利用j a v aa p p l e t 程序实现的，为用户提 供了很友好的三维图形操作界面。到目前为止，他这个系统在网上运行的时间 是最长的，实现的功能也是最完备的。 后来越来越多的科研工作者及科研机构都投入到通过网络远程控制机器人 的研究中来。m o n t e i r o 等人研发的移动机器人远程操作系统，该系统利用超声波 传感器实现了自动避障的功能，同时还利用r t p 实时传输协议部分解决了网络 延时问题。美国的p u m a 7 6 0 机器人远程控制系统，这个系统是基于w e b 的远 程控制与艺术的结合，通过j a v aa p p l e t 程序，使用户拥有一块虚拟的画布，用户 可以在上面用鼠标绘画，画完后所得到的虚拟图像反馈给用户，用户完成的动 作按先后顺序先存储在电脑上，然后通过网络传给机器人执行。此系统为异步 间接执行方式【1 7 】。c a r n e g i em e l l o n 大学研发的网络远程控制的自主移动机器人 x a i v e r ，该系统可通过网络控制机器人在楼内的各个房间运动，同时还具有路径 选择、自主导航等功能，也就是说当你选定目的地以后，机器人可以自己完成 任务，因此也就不太会受网络质量的影响。还有英国的远程机器人望远镜系统： 南加州大学的t e l e g a r d e n 系统等等。 目前，国内在机器人的远程控制领域取得的研究成果也不少，发展进程也 比较快。例如哈尔滨工业大学机器人研究所研制的机器人远程控制系统 t e l e r o b o t ，此系统利用双服务器模式实现通过w e b 远程控制p u m a 5 6 2 机器人。 6 第1 章绪论 上海交大利用v b 开发的网络远程控制系统，这系统控制的对像是一台 a d e p t 6 1 m s 型工业机械手，完成了机器人走出迷宫的实验。沈阳自动化研究所 也利用j a v a 语言成功实现了遥操作机器人系统：清华大学同样也研发出了网络 机器人的远程控制系统。 由上可知，我国虽然在网络机器人的远程控制方面发展迅速，可是依然存 在很多需要我们去研究解决的问题，到目前为止依然没有出现公开在i n t e m e t 上 网络机器人的控制站点，因此我们要继续努力，这样才能缩小与发达国家在这 方面的差距。 1 3 本课题研究的主要内容 以上概述了国内外护理服务机器人的分类及现状、远程监护的现状以及机 器人基于i n t e m e t 的远程控制现状。我们从中可以发现护理服务机器人可以融合 多种技术，要是能把远程监护技术与远程网络控制技术集于本实验室的护理服 务机器人( 智能轮椅床) 上，这肯定是件很完美的事。这样既减轻了护理人员 或家人照顾的负担，又有利于实现护理工作的网络化，降低护理费用；既缩短 了空问的距离，又免除了病人在转移过程中的不安全因素。对一些基本的生理 参数的远程监护，有利于随时了掌握被照顾的人的身体状况。因此，我们利用 本实验室的环境及硬件平台资源，以护理服务机器人( 智能轮椅床) 为对象k 设计并开发了一个基于a r m 的护理服务机器人远程监护控制系统，同时对其中 的一些关键技术做了相应的研究。 本实验室承担了江西省科技厅基金项目( 2 0 0 8 b a 0 0 4 0 0 ) 助老助残智能 服务机器人关键技术研究与系统开发，目的就是解决上面所说的一些关键性技 术问题。 本文的主要内容结构如下： 第一章：绪论。介绍本课题研究的背景与意义以及国内外在这些方面的研 究现状。 第二章：系统的总体方案设计。首先介绍了本系统护理服务机器人的结构 和功能，然后根据这些功能要求提出了本系统的需求分析，最后完成了硬件层 面和软件层面的总体方案设计。 第三章：系统的硬件设计。根据本系统开发的需求，选择了一款合适的a r m 7 第1 章绪论 开发板，同时对外围硬件电路进行了设计，主要包括直流电机驱动电路和红外 测温电路的设计。 第四章：基础软件系统的实现。介绍了常用的嵌入式操作系统，并提出了 嵌入式操作系统的选择标准。实现了叉编译环境的建立、u b o o t 的移植、嵌入 式l i n u x 内核的配置与移植以及根文件系统的制作；同时还开发了直流电机驱动 程序和红外测温驱动程序。 第五章：应用软件系统的实现与网络时延分析。提出了本系统应用软件系 统的设计框架，利用嵌入w e b 服务器技术、c g i 技术、h t m l 和j a v a s c r i p t 技术， 进行了嵌入式w e b 服务器b o a 的移植及服务端和客户端的应用程序开发，实现 了通过因特网远程控制服务机器人，同时对体温、脉搏信息的远程监护进行了 模拟实验。分析了系统的网络时延问题，针对这个问题，采用一种基于譬s v r 的静态网络时延预测算法，进行了时延补偿控制实验。 第六章：结论与展望。总结本文目前已完成的工作，同时对进一步研究的 内容与前景提出展望。 8 第2 章系统的总体方案设计 第2 章系统的总体方案设计 2 1 引言 随着当今网络的普及与网络技术、嵌入式技术的发展，利用基于嵌入式的 网络进行各种数据通信与远程控制已成为当前研究的一个热门领域。本文研究 的目的是将嵌入式技术及网络技术用在本实验室的护理服务机器人上实现网络 的远程控制及远程监护，即远程监护控制。 2 2 护理服务机器人的结构与功能 护理服务机器人智能轮椅床，它是轮椅与护理床的结合体，在物理结 构方面主要有床面、支撑结构和行走驱动部件构成。整体结构模型如图2 1 。 支撑框架 蓄电池及 翼支架 行走驱 动部件 图2 1 整体结构模型 9 第2 章系统的总体方案设计 护理服务机器人在功能方面主要包括：体位调整及行走功能、智能座便功 能、远程监护控制等功能。 ( 一) 体位调整及行走功能 这一功能主要是为了使长期卧床的病人或者瘫痪行动不便人能像正常人一 样，既能行走自如，又能自己调整自己的体位变换。这样既减轻了护理人员的 负担，又给了被护理的人一个舒适的康复环境。 在行走功能方面就是指能够随意控制轮椅床前进、后退及左右转功能；在 体位变换方面主要是指：抬背、抬腿、大小腿的伸曲、平躺及左右翻身等功能。 ( 二) 智能座便功能 智能座便功能也是护理机器人一项很重要的功能，因为解决生活不能自理 的人解便问题，这是一种很繁重而又让人难堪的事情。其功能结构如图2 2 所示。 图2 2 智能座便器功能框图 ( 三) 远程监护控制功能 护理服务机器人除了拥有以上功能外，为了实现机器人的网络化，护理工 作的网络化，使护理工作不受空间的限制，我们还应使护理服务机器人具有对 人体的一些基本生理参数进行远程监护功能，同时还具有网络远程控制功能。 当然这些功能的实现当前还处在研究探索阶段，这也是本文所要完成的任务及 意义。 2 3 系统需求分析 根据用户对产品的设计需求，护理服务机器人的远程监护控制系统应具有 以下基本功能： 1 0 第2 章系统的总体方案设计 1 、护理服务机器人的行走功能及体位调整功能可以通过网络实现远程控制。 2 、对人体的一些基本的生理参数进行远程监护，随时反映被护理人员的身 体状况信息。 3 、具有友好的远程登陆及w e b 控制界面。 4 、合理处理网络延时问题。 5 、采用嵌入式l i m l x 操作系统，系统要求稳定可靠。 2 4 系统方案的总体设计 在设计嵌入式网络护理服务机器人的远程监护控制系统之前，首先我们应 要考虑系统的整体框架并布置系统的整体结构，这其中主要包括系统的硬件设 计与软件设计。 2 4 1 硬件框架结构 要完成护理服务机器人的远程监护控制系统所需的功能，在硬件上主要配 置的关键模块为：中心控制器、网络控制器模块、远程监护控制终端模块、电 机驱动模块、传感器通讯模块等几部分组成，它们之间的关系如图2 3 所示。 触 中u 亍芏币l 丽 以太网 计算机网络l 远程 - 山 1 ， 终端 摸 3 2 2 m 屏 s d r a m l 电机驱动 接接 = 口处理器 口 刮传感器通讯模块 凸 a r m 9 2 0 t j c j 、 s 3 c 2 4 4 0 a线 罨剖接口模块( 与其他设备莲接) 2 5 6 m n a n d 视频摄像头 f l a s h 刊传感器 u s b 图2 3 硬件框架结构图 第2 苹系统的总体方案设计 2 4 2 软件框架结构 软件框架结构主要是与硬件相适应的，它主要包括：系统引导程序、l i n u x 操作系统内核、各种硬件驱动程序、网络数据收发程序等。这几部分的关系如 图2 4 所示。 图2 4 软件框架结构图 2 5 本章小结 本章主要介绍了护理服务机器人的结构与功能，并在此基础上进行了护理 服务机器人远程监护控制系统的需求分析，最后完成了本系统的硬件及软件的 总体框架设计。 1 2 第3 章系统的硬件设计 第3 章系统的硬件设计 3 1 系统硬件的选择 在嵌入式开发中，系统硬件选择的好坏在很大程度上关系到系统性能的优 劣，同时也关系到你的开发时间，以及你的实现难易程度。为达到上一章所述 的需求，同时为了缩短开发时间，本系统借助哈尔滨祥鹏科技有限公司的 t x 2 4 4 0 a 开发板进行开发。$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器、s d r a m 、n a n d f l a s h 、u s b 接口、网口、串口、触摸屏等都由开发板提供。 3 1 1a r m 微处理器结构 我们通常使用的计算机是c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构，这 种结构也有它本身的一些缺陷。例如，随着计算机技术的发展，复杂的指令集 会越来越增多，要支持这些指令的功能，势必造成计算机的体系结构变得越来 越复杂。可是这些指令的使用频率是不一样的，在c i s c 中大约有2 0 的指令会 被经常使用，这些指令却占整个程序代码的8 0 ；而剩下的8 0 不会经常使用， 它只占整个程序代码的2 0 。由此可见这结构用在嵌入式方面是不太适合的。 为了克服以上的缺陷，美国加州大学伯克利分校在1 9 7 9 年提出了r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 的概念，这一概念我们并不能简单理解为只是 简单地去减少指令，其实质是要使计算机的结构变得更加简单而且合里，同时 提高其运算速度。 a r m 处理器采用的是r i s c 体系结构，当然它还在保证高性能的前提下经 过了一些特殊技术的处理，使得a i h m 处理器的芯片面积尽量减小，功耗尽量降 低。自从a r m 推出来，到现在一共经历了六个版本，从v 1 到v 6 。当今比较新 的版本结构都支持a r m 指令集和t h u m b 指令集。 3 1 2a r m 微处理器的应用选型 随着国内外嵌入式技术的发展，a r m 微处理器的应用越来越广泛，目前已 经深入到各个领域，包括工业、通信、网络及消费电子等领域。可是a r m 微处 理器内核结构的种类繁多，生产厂家也各不相同，不同的厂家生产出来的a r m 芯片，其内部功能配置是不一样的，即使是同一厂家不同型号的芯片其内部功 1 3 第3 章系统的硬件设计 能配置也是不一样的，这就势必造成开发人员在选择a r m 处理器时会感到有些 困难。下面主要从应用的角度来简要介绍我们在选择a r m 微处理器时应要考虑 的一些问题。 ( - - ) a r m 微处理器内核的选择 a r m 处理器的结构版本比较多，如果你想缩短开发时间，同时使用标准的 l i n u x 操作系统或者w i n c e 系统来开你的产品，那么你就要选择a r m 7 2 0 t 以上 带有m m u 功能的a r m 芯片，因为像a r m 7 t d m i 及以下处理器不带m m u ， 因此就不能支持标准的l i n u x 操作系统或者w i n c e 系统。 ( 二) 系统的工作频率 a r m 处理器处理数据的能力在很大程度上是由系统的工作频率来决定的。 a r m 7 系列处理器的速度为0 9 m i p s m h z ，a r m 9 系列处理器的速度为 1 1 m i p s m h z ，他们的系统时钟是不一样的，a r m 9 的系统主时钟要高多了，当 然不同芯片对时钟的处理也是不一样的。 ( 三) 片内外围电路的选择 除了a r m 芯片的内核以外，这些芯片还根据不同的应用开发需求，在芯片 内部增加了相应的功能模块，这就是所谓的片内外围电路，如l c d 控制器、u s b 接口、i i s 接口、d a c 、a d c 等。设计者应根据自己项目开发的需要，充分利用 片内外围电路的功能完成自己功能电路的设计，这样不仅简化了系统外围电路 的设计，同时还节约了开发成本，更重要的是提高了系统的稳定性及可靠性【硌】。 3 1 3 开发板的硬件资源 此开发板使用6 层核心板，性能稳定，底板资源丰富，接口全面，标配3 5 寸l c d 和c a m e r a 模块。其外观如图3 1 所示。具体资源如下： c p u ：三星$ 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z 。 内存：6 4 m b 。 n o rf l a s h ：2 m b 。 n a n df l a s h ：2 5 6 m 。 2 个标准9 线串口。 l o o md m 9 0 0 0 网口。 4 个u s bh o s t 接口；1 个u s bd e v i c e 接口。 1 个i r d a 红外线数据接口。 1 个摄像头接口。 、 1 个l c d 接口。 1 4 第3 章系统的硬什设计 图3 1t x 2 4 4 0 a 开发板图 3 2 红外测温模块的设计 用于测量温度的传感器有接触式的和非接触式的，这里采用两个非接触式 的红外传感器t p s 3 3 4 ，把它们安装在轮椅床的两头，分别测量人体的头部与脚 部的温度。由于红外传感器采集过来的信号比较微弱，所以要进行放大，同时 为了提高测量精度，于是还进行温度补偿。然后把信号分别送给$ 3 c 2 4 4 0 进行 a d 转换，这主要是$ 3 c 2 4 4 0 内部集成了8 路l o 位的a d 转换模块。最后把两 路a d 转换的结果取平均后送给液晶屏显示，同时把数据交给b o aw e b 服务器， 以便于远程的访问。原理框图如图3 2 所示【1 9 1 。 图3 2 红j i n 温原理框图 1 5 第3 章系统的硬件设计 3 2 1 红外测温原理 红j i - n 温原理是基于黑体辐射定律。绝对的黑体是指一个物体对于任何波 长的电磁辐射都全部吸收，且具有最大辐射率的物体。它能够在任何温度下， 全部吸收任何波长的入射辐射功率，即吸收率恒为1 。自然界中几乎没有这样的 物体，然而其能量的辐射仍然存在规律性，这规律性由普朗克黑体辐射定律【2 0 1 给出，公式如下： 厂、 m ( 2 , t ) ：_ 2 ，r r h c 2 11 ll ( 3 1 ) l p 丽一1j ( 3 1 ) 式中，h 为普朗克常数，h = 6 6 3 1 0 州w s 2 ；c 为光在真空中的传播 速度，c = 3 o 1 0 8 i n s - i 常数；k 为波尔兹曼常数，k = 1 3 8 1 0 2 3 w s k 1 ；五为 指定的辐射波长；r 为热力学温度。 由( 3 1 ) 式可以计算出在温度为r 时黑体在全部波长范围内的辐射出度为： 膨( 丁) = 【m ( 2 ，r ) d 2 = a t 4 ( 3 2 ) 由( 3 2 ) 式可以看出：黑体总的辐射出度与黑体的绝对温度z 的四次方成正 比。由于自然界不存在真正的黑体，因此物体就有辐射率。红外测温的真正实 质是测目标物与传感器或者环境温度之间的差值。因此其公式可表达为： e = 瑟( p 一万) ( 3 3 ) 式中：e 为辐射出射度，单位为w m - 3 ；万为斯蒂芬波尔兹曼常数， 盯= 5 6 7 1 0 w m 之一：g 为物体的辐射率；r 为物体的温度，单位为k ；r o 为物体周围的环境温度，单位也为k 。 根据公式( 3 3 ) 可知，如果我们测量出了辐射强度e ，同时又知环境温度瓦， 那么就能求出物体的温度。 对人体而言，他所辐射的光线不易被空气所吸收，因为其辐射的红外线波 长通常在9 - 1 0l lm 范围内，因此我们可通过测出人体辐射强度来很好的测量人 体的体温【2 l 】。 3 2 2t p s 3 3 4 传感器的主要特性 热电堆红j i - n 温传感器t p s 3 3 4 ，它很适合于温度测量的应用，它对温度具有 非常好的敏感特性。它本身配有一个5 5 9 m 标准的红外滤光片，若是用t p s 3 3 4 1 6 第3 章系统的硬什设计 g 9 的话，就装有一个8 1 4 p m 红外滤光片，这显然在测量精度方面提高了，测 距也变长了。t p s 3 3 4 在内部还有一个3 0 k q 热敏电阻，这可用作温度调节器( 即 温度的补偿) 。它的灵敏度温度补偿为0 0 2 k ，同时还具有价格便宜、稳定性 和光电特性好等优点。若是把它用作测量范围较窄的体温检测中，精度可以达 n + o 1 【2 2 】，可以满足应用的要求。 3 2 3 电路原理图设计 在这里主要就是将红外传感器t p s 3 3 4 的1 引脚输出光电转换后的电信号【2 3 】 进行放大，同时采取电路补偿，提高精度。其电路原理图如图3