智能型家庭服务机器人的设计与实现论文
文章设计并实现了一款基于Arduino微处理器开发平台的智能家庭服务机器人。可通过无线遥控、语音和手机控制，完成取递物品、环境监测、家电开关遥控、健康指标监测、语音求助、家庭娱乐、燃气火灾报警、防盗报警、远程监控等功能。通过实验室验证，较好地实现了预期功能。
近年来，随着机器人技术的迅速发展，机器人的应用领域也得到了广泛拓展，从原来传统的工业领域已扩展到医疗、勘探、救援和家庭服务等领域[1]。据国际机器人联合会(International Federation of Robotics，IFR)2015年度报告，全球服务机器人市场保持着较快的增长速度，其中数据显示2014年全球专业服务机器人销量达24207台，同比增长11.5%，销售额为37.7亿美元;个人/家庭服务机器人销量为470万台，同比增长28%，销售额为22亿美元[2]，由此可见，智能科技服务机器人是各国经济发展的有力支柱之一。
在上世纪90年代中后期，我国也开始了服务机器人相关技术的研究，但与日本、美国等国家相比起步较晚，而且服务机器人市场从2005年才初具规模[3]。近年来，我国逐步提高了对机器人产业的重视程度，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中把智能服务机器人列为了重点发展的前沿技术，并于2012年制定了《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》支持行业发展[4]。
目前个人/家庭用服务机器人可分为家政服务机器人、助老助残机器人、教育娱乐机器人等几大类[5]。随着我国老龄化社会进程的进一步推进，以及人们在教育、生活娱乐和新生活方式等方面的需求，在未来会有越来越多的服务机器人作为为人类服务的大众性消费产品走入寻常百姓家。为此，文章提出并且实现了一款智能型家庭服务机器人的设计方案，能够较为全面的融合现代家居生活和各类人群的日常所需，集家庭服务与家居智能安防多功能于一体，可以通过手机、语音和无线遥控等多种方式满足现代家庭娱乐，家庭服务、助老和婴幼儿看护等多方面需求。
1 智能家庭服务机器人机械本体
1.1 越野式四轮移动机构
该机器人的移动载体采用越野型小车形式(如图1所示)，底盘为悬浮式设计，从而能适应室内外各种复杂的路况。与传统四轮小车转向采用差速机构所不同的是，该小车的转向方式是将控制同侧前后轮转动的电机并联在一起，转向时，同侧的.前后两轮同步转动，而另一侧的两个轮按相反方向转动，从而使得小车可以原地转向，这种方式对比差速转向的方式更加快捷，而且还能减小转弯半径，更加适合在室内等狭小空间内工作。车身内部有两个舱室，分别为电源舱和系统控制舱;车身上搭载有机械臂、WIFI网络摄像头和传感器等，如图2所示。
1.2 抓持机构
该机器人抓取机构采用三自由度机械臂设计。如图1所示，关节1、2处为旋转自由度，关节1由舵机带动机械臂旋转，关节2由舵机带动机械臂抬升和伸出;关节3依靠连杆机构实现转动;关节4为移动自由度，控制末端执行器的开合。末端执行器为简单的两指式机械手，在手指下方装有颜色传感器，如图3所示。
2 控制系统总体架构及其硬件系统组成
2.1 控制系统总体架构
智能型家庭服务机器人控制系统采用双控制器架构，以两个功能强大、有多种高效成熟的功能函数及易于使用，且拥有大量I/O接口的Arduino MEGA2560 单片机作为主从微处理器。其中，主控制器用于实现数字语音信号处理、充电电池的电压监测、主从控制器通信以及GSM短信发送功能。从控制器主要完成对舵机、视觉系统、各类传感器的控制和反馈信息的处理。主从控制器之间采用模拟IIC协议。
整个机器人由机械本体和控制系统软、硬件组成。控制系统系统硬件采用模块化设计方式，主要包括移动载体、抓持机构、目标识别模块、避障模块、安防模块、环境参数模块、健康监测模块、语音识别模块、Wi-Fi模块、遥控开关模块、SD卡模块、Mp3模块和短信模块等。模块化的设计方式使得各模块间实现了高内聚、低耦合，即各个模块功能相互独立，模块之间互不干扰，使之具有较高的可替换性、较强的独立性。
舵机控制系统选用5个13kgN/cm扭力的舵机，分别控制机械臂的伸展、末端执行器的开合以及摄像头的转动，由Arduino mega2560通过PWM波对舵机进行控制，通过改变高电平的占空比以调节舵机的转速。
机器人可通过手机App、语音和电脑Wi-Fi遥控三种控制方式，集家庭服务、安全防护、健康监测和家庭娱乐四大功能于一身，基本涵盖了家庭日常所需。其中，服务模块包括取物、环境监测、家用电器开关控制和发送求救短信功能。安全防护模块包括燃气、火灾和小偷入室盗窃的报警功能，以及Wi-Fi环境下的自主巡航，使用者可通过电脑看到传回的实时视频画面。健康监测模块主要是实现心率和脉搏的监测，并且可以将检测结果存放机器人附带的SD卡中。家庭娱乐模块主要包括语音报时、音乐和广播播放等功能。
2.2 主要硬件组成
2.2.1 避障模块
利用超声波测距的方式，在小车车身的左侧、左前、前方、右前和右侧共装有5个HC-SR04超声波传感器(如图5所示)，通过不断采集距离参数，找到合适的行走路径，不会碰撞到障碍物。
HC-SR04超声波传感器主要技术参数：(1)使用电压：DC5V;(2)静态电流：小于2mA;(3)电平输出：高5V;(4)电平输出：低0V;(5)感应角度：不大于15度;(6)探测距离：2cm-450cm;(7)高精度：可达3mm。
2.2.2 健康监测模块
健康监测模块为一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器(图6所示)，固定在车头部位，只要将手轻轻贴于它的表面等待10秒钟，即可采集到模拟信号并传输给单片机，经过转换变为数字信号，并计算出心率数值，以语音方式报告给使用者，同时脉搏波形能够通过显示屏显示。
2.2.3 语音识别模块
语音识别模块(图7)能够识别者发出的语音指令，包括命令其行走、报时、开关家用电器，把这些语音指令转化为预先设置的字符。特别是与短信模块配合使用，能够实现语音紧急呼救功能，非常适合行动不便的老人，并且具备了良好的人机交互性。语音识别模块和2.4GHz无线传输模块(图8)相结合，通信距离可达500-800m，使语音控制不在仅局限于小车的周围。
2.2.4 环境参数模块
采用DHT11温湿度传感器(图9)和夏普光学粉尘传感器(GP2Y1010AU0F)(图10)，进行室内的温度、湿度以及空气质量的测量，根据测量结果提示使用者是否需要打开空调或者加湿器等，并把所测得的参数记录在SD卡模块中。其中，DHT11温湿度传感器温度测量范围为0～50℃，湿度为20%～90%RH;夏普光学粉尘传感器最小粒子检出值为0.8微米，可以检测极为细小的颗粒。且具有极低的电流消耗(最大20mA，一般为11mA)，输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘浓度。
2.2.5 短信模块
选用SIM900A短信模块(图11)，当使用者遭遇有害气体泄漏、火灾或盗贼闯入等危险情况发出语音呼救时，能够实时将信息以短信的方式发送给紧急联系人和报警平台。
2.2.6 安防模块
包括火焰传感器(图12(a))、MQ-2燃气传感器(图12(b))和HC-SR501热释电红外人体检测传感器(图12(c))。其中，火焰传感器是数字量输出，在小车的巡航过程中，只要火焰传感器探测到火焰信息，便以数字量的形式，传送给微处理器，然后报警，提示主人存在危险，在主人不在家的情况下可以发送报警短信通知主人。MQ-2燃气传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。其通信方式为模拟量输出，在小车的巡航过程中，如果检测到室内的一氧化碳浓度超过设定值时，小车便报警，提示主人有危险在主人不在家的情况下可以发送报警短信通知主人。同时，还能以遥控的方式自动关闭室内电器，以免发生爆炸。HC-SR501热释电红外传感器安装在车头部位，红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，送出TTL电平至微处理器，然后报警，提醒主人有人闯入，在主人不在家的情况下可以发送报警短信通知主人。
3 控制系统软件设计
上位机软件是基于C#.NET语音开发，能够实时接收并显示WIFI模块传输的视频数据、下位机传感器数据和发送控制命令。如图13所示，软件主界面中包含视频显示窗口和若干控制按钮，可以用来进行网络连接、开关视频、设置参数、发送动作指令等，具有良好的人机交互性。
4 实验验证与结论
通过总体结构方案和控制系统软硬件设计，实现了智能型家庭服务机器人的样机制作，在实验室条件下，对其取递物品、环境监测、家电开关遥控、健康指标监测、语音求助、家庭娱乐、燃气火灾报警、防盗报警、远程监控等功能进行了测试，实现了预期功能。下一步工作主要是针对机器人图像处理能力，抓取物体的准确性等方面做进一步完善。
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