智能型家庭服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于A(yíng)rduino微處理器開(kāi)發(fā)平臺(tái)的智能家庭服務(wù)機(jī)器人�？赏ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)遙控、語(yǔ)音和手機(jī)控制，完成取遞物品、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家電開(kāi)關(guān)遙控、健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音求助、家庭娛樂(lè)、燃?xì)饣馂?zāi)報(bào)警、防盜報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。
近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了廣泛拓展，從原來(lái)傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域已擴(kuò)展到醫(yī)療、勘探、救援和家庭服務(wù)等領(lǐng)域[1]。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(International Federation of Robotics，IFR)2015年度報(bào)告，全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)保持著較快的增長(zhǎng)速度，其中數(shù)據(jù)顯示2014年全球?qū)I(yè)服務(wù)機(jī)器人銷(xiāo)量達(dá)24207臺(tái)，同比增長(zhǎng)11.5%，銷(xiāo)售額為37.7億美元;個(gè)人/家庭服務(wù)機(jī)器人銷(xiāo)量為470萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)28%，銷(xiāo)售額為22億美元[2]，由此可見(jiàn)，智能科技服務(wù)機(jī)器人是各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力支柱之一。
在上世紀(jì)90年代中后期，我國(guó)也開(kāi)始了服務(wù)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究，但與日本、美國(guó)等國(guó)家相比起步較晚，而且服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)從2005年才初具規(guī)模[3]。近年來(lái)，我國(guó)逐步提高了對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的重視程度，在《國(guó)家中長(zhǎng)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(jī)器人列為了重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)，并于2012年制定了《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》支持行業(yè)發(fā)展[4]。
目前個(gè)人/家庭用服務(wù)機(jī)器人可分為家政服務(wù)機(jī)器人、助老助殘機(jī)器人、教育娛樂(lè)機(jī)器人等幾大類(lèi)[5]。隨著我國(guó)老齡化社會(huì)進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，以及人們?cè)诮逃�、生活�(yuàn)蕵?lè)和新生活方式等方面的需求，在未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的服務(wù)機(jī)器人作為為人類(lèi)服務(wù)的大眾性消費(fèi)產(chǎn)品走入尋常百姓家。為此，文章提出并且實(shí)現(xiàn)了一款智能型家庭服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，能夠較為全面的融合現(xiàn)代家居生活和各類(lèi)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(guò)手機(jī)、語(yǔ)音和無(wú)線(xiàn)遙控等多種方式滿(mǎn)足現(xiàn)代家庭娛樂(lè)，家庭服務(wù)、助老和嬰幼兒看護(hù)等多方面需求。
1 智能家庭服務(wù)機(jī)器人機(jī)械本體
1.1 越野式四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)
該機(jī)器人的移動(dòng)載體采用越野型小車(chē)形式(如圖1所示)，底盤(pán)為懸浮式設(shè)計(jì)，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(chē)轉(zhuǎn)向采用差速機(jī)構(gòu)所不同的是，該小車(chē)的轉(zhuǎn)向方式是將控制同側(cè)前后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)并聯(lián)在一起，轉(zhuǎn)向時(shí)，同側(cè)的前后兩輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一側(cè)的兩個(gè)輪按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得小車(chē)可以原地轉(zhuǎn)向，這種方式對(duì)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(chē)身內(nèi)部有兩個(gè)艙室，分別為電源艙和系統(tǒng)控制艙;車(chē)身上搭載有機(jī)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(jī)構(gòu)
該機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)采用三自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)。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(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)2由舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂抬升和伸出;關(guān)節(jié)3依靠連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng);關(guān)節(jié)4為移動(dòng)自由度，控制末端執(zhí)行器的開(kāi)合。末端執(zhí)行器為簡(jiǎn)單的兩指式機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)采用雙控制器架構(gòu)，以?xún)蓚�(gè)功能強(qiáng)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(jī)作為主從微處理器。其中，主控制器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理、充電電池的電壓監(jiān)測(cè)、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(duì)舵機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、各類(lèi)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(gè)機(jī)器人由機(jī)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(jì)方式，主要包括移動(dòng)載體、抓持機(jī)構(gòu)、目標(biāo)識(shí)別模塊、避障模塊、安防模塊、環(huán)境參數(shù)模塊、健康監(jiān)測(cè)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、Wi-Fi模塊、遙控開(kāi)關(guān)模塊、SD卡模塊、Mp3模塊和短信模塊等。模塊化的設(shè)計(jì)方式使得各模塊間實(shí)現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合，即各個(gè)模塊功能相互獨(dú)立，模塊之間互不干擾，使之具有較高的可替換性、較強(qiáng)的獨(dú)立性。
舵機(jī)控制系統(tǒng)選用5個(gè)13kgN/cm扭力的舵機(jī)，分別控制機(jī)械臂的伸展、末端執(zhí)行器的開(kāi)合以及攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，由Arduino mega2560通過(guò)PWM波對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)改變高電平的占空比以調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速。
機(jī)器人可通過(guò)手機(jī)App、語(yǔ)音和電腦Wi-Fi遙控三種控制方式，集家庭服務(wù)、安全防護(hù)、健康監(jiān)測(cè)和家庭娛樂(lè)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(cè)、家用電器開(kāi)關(guān)控制和發(fā)送求救短信功能。安全防護(hù)模塊包括燃?xì)狻⒒馂?zāi)和小偷入室盜竊的報(bào)警功能，以及Wi-Fi環(huán)境下的自主巡航，使用者可通過(guò)電腦看到傳回的實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面。健康監(jiān)測(cè)模塊主要是實(shí)現(xiàn)心率和脈搏的監(jiān)測(cè)，并且可以將檢測(cè)結(jié)果存放機(jī)器人附帶的SD卡中。家庭娛樂(lè)模塊主要包括語(yǔ)音報(bào)時(shí)、音樂(lè)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(cè)距的方式，在小車(chē)車(chē)身的左側(cè)、左前、前方、右前和右側(cè)共裝有5個(gè)HC-SR04超聲波傳感器(如圖5所示)，通過(guò)不斷采集距離參數(shù)，找到合適的行走路徑，不會(huì)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(cè)距離：2cm-450cm;(7)高精度：可達(dá)3mm。
2.2.2 健康監(jiān)測(cè)模塊
健康監(jiān)測(cè)模塊為一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器(圖6所示)，固定在車(chē)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(hào)并傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并計(jì)算出心率數(shù)值，以語(yǔ)音方式報(bào)告給使用者，同時(shí)脈搏波形能夠通過(guò)顯示屏顯示。
2.2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊
語(yǔ)音識(shí)別模塊(圖7)能夠識(shí)別者發(fā)出的語(yǔ)音指令，包括命令其行走、報(bào)時(shí)、開(kāi)關(guān)家用電器，把這些語(yǔ)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(yǔ)音緊急呼救功能，非常適合行動(dòng)不便的老人，并且具備了良好的人機(jī)交互性。語(yǔ)音識(shí)別模塊和2.4GHz無(wú)線(xiàn)傳輸模塊(圖8)相結(jié)合，通信距離可達(dá)500-800m，使語(yǔ)音控制不在僅局限于小車(chē)的周?chē)?/p>
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(jìn)行室內(nèi)的溫度、濕度以及空氣質(zhì)量的測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果提示使用者是否需要打開(kāi)空調(diào)或者加濕器等，并把所測(cè)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(cè)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(cè)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(gè)模擬電壓正比于所測(cè)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(xiǎn)情況發(fā)出語(yǔ)音呼救時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)將信息以短信的方式發(fā)送給緊急聯(lián)系人和報(bào)警平臺(tái)。
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(cè)傳感器(圖12(c))。其中，火焰?zhèn)鞲衅魇菙?shù)字量輸出，在小車(chē)的巡航過(guò)程中，只要火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)到火焰信息，便以數(shù)字量的形式，傳送給微處理器，然后報(bào)警，提示主人存在危險(xiǎn)，在主人不在家的.情況下可以發(fā)送報(bào)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(shí)，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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。該傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。其通信方式為模擬量輸出，在小車(chē)的巡航過(guò)程中，如果檢測(cè)到室內(nèi)的一氧化碳濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，小車(chē)便報(bào)警，提示主人有危險(xiǎn)在主人不在家的情況下可以發(fā)送報(bào)警短信通知主人。同時(shí)，還能以遙控的方式自動(dòng)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(chē)頭部位，紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號(hào)，送出TTL電平至微處理器，然后報(bào)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(bào)警短信通知主人。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件是基于C#.NET語(yǔ)音開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崟r(shí)接收并顯示W(wǎng)IFI模塊傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)、下位機(jī)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(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接、開(kāi)關(guān)視頻、設(shè)置參數(shù)、發(fā)送動(dòng)作指令等，具有良好的人機(jī)交互性。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論
通過(guò)總體結(jié)構(gòu)方案和控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能型家庭服務(wù)機(jī)器人的樣機(jī)制作，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)其取遞物品、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家電開(kāi)關(guān)遙控、健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音求助、家庭娛樂(lè)、燃?xì)饣馂?zāi)報(bào)警、防盜報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。下一步工作主要是針對(duì)機(jī)器人圖像處理能力，抓取物體的準(zhǔn)確性等方面做進(jìn)一步完善。
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