智能型家庭服務機器人的設計與實現(xiàn)論文
文章設計并實現(xiàn)了一款基于Arduino微處理器開發(fā)平臺的智能家庭服務機器人?？赏ㄟ^無線遙控、語音和手機控制，完成取遞物品、環(huán)境監(jiān)測、家電開關遙控、健康指標監(jiān)測、語音求助、家庭娛樂、燃氣火災報警、防盜報警、遠程監(jiān)控等功能。通過實驗室驗證，較好地實現(xiàn)了預期功能。
近年來，隨著機器人技術的迅速發(fā)展，機器人的應用領域也得到了廣泛拓展，從原來傳統(tǒng)的工業(yè)領域已擴展到醫(yī)療、勘探、救援和家庭服務等領域[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年全球專業(yè)服務機器人銷量達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，智能科技服務機器人是各國經(jīng)濟發(fā)展的有力支柱之一。
在上世紀90年代中后期，我國也開始了服務機器人相關技術的研究，但與日本、美國等國家相比起步較晚，而且服務機器人市場從2005年才初具規(guī)模[3]。近年來，我國逐步提高了對機器人產業(yè)的重視程度，在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中把智能服務機器人列為了重點發(fā)展的前沿技術，并于2012年制定了《服務機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》支持行業(yè)發(fā)展[4]。
目前個人/家庭用服務機器人可分為家政服務機器人、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機器人作為為人類服務的大眾性消費產品走入尋常百姓家。為此，文章提出并且實現(xiàn)了一款智能型家庭服務機器人的設計方案，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、助老和嬰幼兒看護等多方面需求。
1 智能家庭服務機器人機械本體
1.1 越野式四輪移動機構
該機器人的移動載體采用越野型小車形式(如圖1所示)，底盤為懸浮式設計，從而能適應室內外各種復雜的路況。與傳統(tǒng)四輪小車轉向采用差速機構所不同的是，該小車的轉向方式是將控制同側前后輪轉動的電機并聯(lián)在一起，轉向時，同側的.前后兩輪同步轉動，而另一側的兩個輪按相反方向轉動，從而使得小車可以原地轉向，這種方式對比差速轉向的方式更加快捷，而且還能減小轉彎半徑，更加適合在室內等狹小空間內工作。車身內部有兩個艙室，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)絡攝像頭和傳感器等，如圖2所示。
1.2 抓持機構
該機器人抓取機構采用三自由度機械臂設計。如圖1所示，關節(jié)1、2處為旋轉自由度，關節(jié)1由舵機帶動機械臂旋轉，關節(jié)2由舵機帶動機械臂抬升和伸出;關節(jié)3依靠連桿機構實現(xiàn)轉動;關節(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)總體架構及其硬件系統(tǒng)組成
2.1 控制系統(tǒng)總體架構
智能型家庭服務機器人控制系統(tǒng)采用雙控制器架構，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。控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件采用模塊化設計方式，主要包括移動載體、抓持機構、目標識別模塊、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、遙控開關模塊、SD卡模塊、Mp3模塊和短信模塊等。模塊化的設計方式使得各模塊間實現(xiàn)了高內聚、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節(jié)舵機的轉速。
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、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，服務模塊包括取物、環(huán)境監(jiān)測、家用電器開關控制和發(fā)送求救短信功能。安全防護模塊包括燃氣、火災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、左前、前方、右前和右側共裝有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、開關家用電器，把這些語音指令轉化為預先設置的字符。特別是與短信模塊配合使用，能夠實現(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)和夏普光學粉塵傳感器(GP2Y1010AU0F)(圖10)，進行室內的溫度、濕度以及空氣質量的測量，根據(jù)測量結果提示使用者是否需要打開空調或者加濕器等，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;夏普光學粉塵傳感器最小粒子檢出值為0.8微米，可以檢測極為細小的顆粒。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)，當使用者遭遇有害氣體泄漏、火災或盜賊闖入等危險情況發(fā)出語音呼救時，能夠實時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燃氣傳感器(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燃氣傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。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，如果檢測到室內的一氧化碳濃度超過設定值時，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閉室內電器，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)軟件設計
上位機軟件是基于C#.NET語音開發(fā)，能夠實時接收并顯示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)絡連接、開關視頻、設置參數(shù)、發(fā)送動作指令等，具有良好的人機交互性。
4 實驗驗證與結論
通過總體結構方案和控制系統(tǒng)軟硬件設計，實現(xiàn)了智能型家庭服務機器人的樣機制作，在實驗室條件下，對其取遞物品、環(huán)境監(jiān)測、家電開關遙控、健康指標監(jiān)測、語音求助、家庭娛樂、燃氣火災報警、防盜報警、遠程監(jiān)控等功能進行了測試，實現(xiàn)了預期功能。下一步工作主要是針對機器人圖像處理能力，抓取物體的準確性等方面做進一步完善。
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