智能型家庭服務(wù)機器人的設(shè)計與實現(xiàn)論文
文章設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于Arduino微處理器開發(fā)平臺的智能家庭服務(wù)機器人。可通過無線遙控、語音和手機控制，完成取遞物品、環(huán)境監(jiān)測、家電開關(guān)遙控、健康指標(biāo)監(jiān)測、語音求助、家庭娛樂、燃?xì)饣馂?zāi)報警、防盜報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。通過實驗室驗證，較好地實現(xiàn)了預(yù)期功能。
近年來，隨著機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了廣泛拓展，從原來傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域已擴展到醫(yī)療、勘探、救援和家庭服務(wù)等領(lǐng)域[1]。據(jù)國際機器人聯(lián)合會(International Federation of Robotics，IFR)2015年度報告，全球服務(wù)機器人市場保持著較快的增長速度，其中數(shù)據(jù)顯示2014年全球?qū)I(yè)服務(wù)機器人銷量達24207臺，同比增長11.5%，銷售額為37.7億美元;個人/家庭服務(wù)機器人銷量為470萬臺，同比增長28%，銷售額為22億美元[2]，由此可見，智能科技服務(wù)機器人是各國經(jīng)濟發(fā)展的有力支柱之一。
在上世紀(jì)90年代中后期，我國也開始了服務(wù)機器人相關(guān)技術(shù)的研究，但與日本、美國等國家相比起步較晚，而且服務(wù)機器人市場從2005年才初具規(guī)模[3]。近年來，我國逐步提高了對機器人產(chǎn)業(yè)的重視程度，在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中把智能服務(wù)機器人列為了重點發(fā)展的前沿技術(shù)，并于2012年制定了《服務(wù)機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》支持行業(yè)發(fā)展[4]。
目前個人/家庭用服務(wù)機器人可分為家政服務(wù)機器人、助老助殘機器人、教育娛樂機器人等幾大類[5]。隨著我國老齡化社會進程的進一步推進，以及人們在教育、生活娛樂和新生活方式等方面的需求，在未來會有越來越多的服務(wù)機器人作為為人類服務(wù)的大眾性消費產(chǎn)品走入尋常百姓家。為此，文章提出并且實現(xiàn)了一款智能型家庭服務(wù)機器人的設(shè)計方案，能夠較為全面的融合現(xiàn)代家居生活和各類人群的日常所需，集家庭服務(wù)與家居智能安防多功能于一體，可以通過手機、語音和無線遙控等多種方式滿足現(xiàn)代家庭娛樂，家庭服務(wù)、助老和嬰幼兒看護等多方面需求。
1 智能家庭服務(wù)機器人機械本體
1.1 越野式四輪移動機構(gòu)
該機器人的移動載體采用越野型小車形式(如圖1所示)，底盤為懸浮式設(shè)計，從而能適應(yīng)室內(nèi)外各種復(fù)雜的路況。與傳統(tǒng)四輪小車轉(zhuǎn)向采用差速機構(gòu)所不同的是，該小車的轉(zhuǎn)向方式是將控制同側(cè)前后輪轉(zhuǎn)動的電機并聯(lián)在一起，轉(zhuǎn)向時，同側(cè)的前后兩輪同步轉(zhuǎn)動，而另一側(cè)的兩個輪按相反方向轉(zhuǎn)動，從而使得小車可以原地轉(zhuǎn)向，這種方式對比差速轉(zhuǎn)向的方式更加快捷，而且還能減小轉(zhuǎn)彎半徑，更加適合在室內(nèi)等狹小空間內(nèi)工作。車身內(nèi)部有兩個艙室，分別為電源艙和系統(tǒng)控制艙;車身上搭載有機械臂、WIFI網(wǎng)絡(luò)攝像頭和傳感器等，如圖2所示。
1.2 抓持機構(gòu)
該機器人抓取機構(gòu)采用三自由度機械臂設(shè)計。如圖1所示，關(guān)節(jié)1、2處為旋轉(zhuǎn)自由度，關(guān)節(jié)1由舵機帶動機械臂旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)2由舵機帶動機械臂抬升和伸出;關(guān)節(jié)3依靠連桿機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動;關(guān)節(jié)4為移動自由度，控制末端執(zhí)行器的開合。末端執(zhí)行器為簡單的兩指式機械手，在手指下方裝有顏色傳感器，如圖3所示。
2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)及其硬件系統(tǒng)組成
2.1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)
智能型家庭服務(wù)機器人控制系統(tǒng)采用雙控制器架構(gòu)，以兩個功能強大、有多種高效成熟的功能函數(shù)及易于使用，且擁有大量I/O接口的Arduino MEGA2560 單片機作為主從微處理器。其中，主控制器用于實現(xiàn)數(shù)字語音信號處理、充電電池的電壓監(jiān)測、主從控制器通信以及GSM短信發(fā)送功能。從控制器主要完成對舵機、視覺系統(tǒng)、各類傳感器的控制和反饋信息的處理。主從控制器之間采用模擬IIC協(xié)議。
整個機器人由機械本體和控制系統(tǒng)軟、硬件組成�？刂葡到y(tǒng)系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計方式，主要包括移動載體、抓持機構(gòu)、目標(biāo)識別模塊、避障模塊、安防模塊、環(huán)境參數(shù)模塊、健康監(jiān)測模塊、語音識別模塊、Wi-Fi模塊、遙控開關(guān)模塊、SD卡模塊、Mp3模塊和短信模塊等。模塊化的設(shè)計方式使得各模塊間實現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合，即各個模塊功能相互獨立，模塊之間互不干擾，使之具有較高的可替換性、較強的獨立性。
舵機控制系統(tǒng)選用5個13kgN/cm扭力的舵機，分別控制機械臂的伸展、末端執(zhí)行器的開合以及攝像頭的轉(zhuǎn)動，由Arduino mega2560通過PWM波對舵機進行控制，通過改變高電平的占空比以調(diào)節(jié)舵機的轉(zhuǎn)速。
機器人可通過手機App、語音和電腦Wi-Fi遙控三種控制方式，集家庭服務(wù)、安全防護、健康監(jiān)測和家庭娛樂四大功能于一身，基本涵蓋了家庭日常所需。其中，服務(wù)模塊包括取物、環(huán)境監(jiān)測、家用電器開關(guān)控制和發(fā)送求救短信功能。安全防護模塊包括燃?xì)狻⒒馂?zāi)和小偷入室盜竊的報警功能，以及Wi-Fi環(huán)境下的自主巡航，使用者可通過電腦看到傳回的實時視頻畫面。健康監(jiān)測模塊主要是實現(xiàn)心率和脈搏的監(jiān)測，并且可以將檢測結(jié)果存放機器人附帶的SD卡中。家庭娛樂模塊主要包括語音報時、音樂和廣播播放等功能。
2.2 主要硬件組成
2.2.1 避障模塊
利用超聲波測距的方式，在小車車身的左側(cè)、左前、前方、右前和右側(cè)共裝有5個HC-SR04超聲波傳感器(如圖5所示)，通過不斷采集距離參數(shù)，找到合適的行走路徑，不會碰撞到障礙物。
HC-SR04超聲波傳感器主要技術(shù)參數(shù)：(1)使用電壓：DC5V;(2)靜態(tài)電流：小于2mA;(3)電平輸出：高5V;(4)電平輸出：低0V;(5)感應(yīng)角度：不大于15度;(6)探測距離：2cm-450cm;(7)高精度：可達3mm。
2.2.2 健康監(jiān)測模塊
健康監(jiān)測模塊為一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器(圖6所示)，固定在車頭部位，只要將手輕輕貼于它的表面等待10秒鐘，即可采集到模擬信號并傳輸給單片機，經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，并計算出心率數(shù)值，以語音方式報告給使用者，同時脈搏波形能夠通過顯示屏顯示。
2.2.3 語音識別模塊
語音識別模塊(圖7)能夠識別者發(fā)出的語音指令，包括命令其行走、報時、開關(guān)家用電器，把這些語音指令轉(zhuǎn)化為預(yù)先設(shè)置的字符。特別是與短信模塊配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)語音緊急呼救功能，非常適合行動不便的老人，并且具備了良好的人機交互性。語音識別模塊和2.4GHz無線傳輸模塊(圖8)相結(jié)合，通信距離可達500-800m，使語音控制不在僅局限于小車的周圍。
2.2.4 環(huán)境參數(shù)模塊
采用DHT11溫濕度傳感器(圖9)和夏普光學(xué)粉塵傳感器(GP2Y1010AU0F)(圖10)，進行室內(nèi)的溫度、濕度以及空氣質(zhì)量的測量，根據(jù)測量結(jié)果提示使用者是否需要打開空調(diào)或者加濕器等，并把所測得的參數(shù)記錄在SD卡模塊中。其中，DHT11溫濕度傳感器溫度測量范圍為0～50℃，濕度為20%～90%RH;夏普光學(xué)粉塵傳感器最小粒子檢出值為0.8微米，可以檢測極為細(xì)小的顆粒。且具有極低的電流消耗(最大20mA，一般為11mA)，輸出的是一個模擬電壓正比于所測得的粉塵濃度。
2.2.5 短信模塊
選用SIM900A短信模塊(圖11)，當(dāng)使用者遭遇有害氣體泄漏、火災(zāi)或盜賊闖入等危險情況發(fā)出語音呼救時，能夠?qū)崟r將信息以短信的方式發(fā)送給緊急聯(lián)系人和報警平臺。
2.2.6 安防模塊
包括火焰?zhèn)鞲衅?圖12(a))、MQ-2燃?xì)鈧鞲衅?圖12(b))和HC-SR501熱釋電紅外人體檢測傳感器(圖12(c))。其中，火焰?zhèn)鞲衅魇菙?shù)字量輸出，在小車的巡航過程中，只要火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到火焰信息，便以數(shù)字量的形式，傳送給微處理器，然后報警，提示主人存在危險，在主人不在家的.情況下可以發(fā)送報警短信通知主人。MQ-2燃?xì)鈧鞲衅魉褂玫臍饷舨牧鲜窃谇鍧嵖諝庵须妼?dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。該傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。其通信方式為模擬量輸出，在小車的巡航過程中，如果檢測到室內(nèi)的一氧化碳濃度超過設(shè)定值時，小車便報警，提示主人有危險在主人不在家的情況下可以發(fā)送報警短信通知主人。同時，還能以遙控的方式自動關(guān)閉室內(nèi)電器，以免發(fā)生爆炸。HC-SR501熱釋電紅外傳感器安裝在車頭部位，紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，送出TTL電平至微處理器，然后報警，提醒主人有人闖入，在主人不在家的情況下可以發(fā)送報警短信通知主人。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
上位機軟件是基于C#.NET語音開發(fā)，能夠?qū)崟r接收并顯示W(wǎng)IFI模塊傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)、下位機傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。如圖13所示，軟件主界面中包含視頻顯示窗口和若干控制按鈕，可以用來進行網(wǎng)絡(luò)連接、開關(guān)視頻、設(shè)置參數(shù)、發(fā)送動作指令等，具有良好的人機交互性。
4 實驗驗證與結(jié)論
通過總體結(jié)構(gòu)方案和控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了智能型家庭服務(wù)機器人的樣機制作，在實驗室條件下，對其取遞物品、環(huán)境監(jiān)測、家電開關(guān)遙控、健康指標(biāo)監(jiān)測、語音求助、家庭娛樂、燃?xì)饣馂?zāi)報警、防盜報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能進行了測試，實現(xiàn)了預(yù)期功能。下一步工作主要是針對機器人圖像處理能力，抓取物體的準(zhǔn)確性等方面做進一步完善。
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