智慧型家庭服務機器人的設計與實現論文
文章設計並實現了一款基於Arduino微處理器開發平臺的智慧家庭服務機器人。可透過無線遙控、語音和手機控制，完成取遞物品、環境監測、家電開關遙控、健康指標監測、語音求助、家庭娛樂、燃氣火災報警、防盜報警、遠端監控等功能。透過實驗室驗證，較好地實現了預期功能。
近年來，隨著機器人技術的迅速發展，機器人的應用領域也得到了廣泛拓展，從原來傳統的工業領域已擴充套件到醫療、勘探、救援和家庭服務等領域[1]。據國際機器人聯合會(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，其中資料顯示2014年全球專業服務機器人銷量達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，智慧科技服務機器人是各國經濟發展的有力支柱之一。
在上世紀90年代中後期，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年才初具規模[3]。近年來，我國逐步提高了對機器人產業的重視程度，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中把智慧服務機器人列為了重點發展的前沿技術，並於2012年制定了《服務機器人科技發展“十二五”專項規劃》支援行業發展[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程序的進一步推進，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，文章提出並且實現了一款智慧型家庭服務機器人的設計方案，能夠較為全面的融合現代家居生活和各類人群的日常所需，集家庭服務與家居智慧安防多功能於一體，可以透過手機、語音和無線遙控等多種方式滿足現代家庭娛樂，家庭服務、助老和嬰幼兒看護等多方面需求。
1 智慧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採用越野型小車形式(如圖1所示)，底盤為懸浮式設計，從而能適應室內外各種複雜的路況。與傳統四輪小車轉向採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後輪轉動的電機並聯在一起，轉向時，同側的前後兩輪同步轉動，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控制艙;車身上搭載有機械臂、WIFI網路攝像頭和感測器等，如圖2所示。
1.2 抓持機構
該機器人抓取機構採用三自由度機械臂設計。如圖1所示，關節1、2處為旋轉自由度，關節1由舵機帶動機械臂旋轉，關節2由舵機帶動機械臂抬升和伸出;關節3依靠連桿機構實現轉動;關節4為移動自由度，控制末端執行器的開合。末端執行器為簡單的兩指式機械手，在手指下方裝有顏色感測器，如圖3所示。
2 控制系統總體架構及其硬體系統組成
2.1 控制系統總體架構
智慧型家庭服務機器人控制系統採用雙控制器架構，以兩個功能強大、有多種高效成熟的功能函式及易於使用，且擁有大量I/O介面的Arduino MEGA2560 微控制器作為主從微處理器。其中，主控制器用於實現數字語音訊號處理、充電電池的電壓監測、主從控制器通訊以及GSM簡訊傳送功能。從控制器主要完成對舵機、視覺系統、各類感測器的控制和反饋資訊的處理。主從控制器之間採用模擬IIC協議。
整個機器人由機械本體和控制系統軟、硬體組成。控制系統系統硬體採用模組化設計方式，主要包括移動載體、抓持機構、目標識別模組、避障模組、安防模組、環境引數模組、健康監測模組、語音識別模組、Wi-Fi模組、遙控開關模組、SD卡模組、Mp3模組和簡訊模組等。模組化的設計方式使得各模組間實現了高內聚、低耦合，即各個模組功能相互獨立，模組之間互不干擾，使之具有較高的可替換性、較強的獨立性。
舵機控制系統選用5個13kgN/cm扭力的舵機，分別控制機械臂的伸展、末端執行器的開合以及攝像頭的轉動，由Arduino mega2560透過PWM波對舵機進行控制，透過改變高電平的佔空比以調節舵機的轉速。
機器人可透過手機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、健康監測和家庭娛樂四大功能於一身，基本涵蓋了家庭日常所需。其中，服務模組包括取物、環境監測、家用電器開關控制和傳送求救簡訊功能。安全防護模組包括燃氣、火災和小偷入室盜竊的報警功能，以及Wi-Fi環境下的自主巡航，使用者可透過電腦看到傳回的實時影片畫面。健康監測模組主要是實現心率和脈搏的監測，並且可以將檢測結果存放機器人附帶的SD卡中。家庭娛樂模組主要包括語音報時、音樂和廣播播放等功能。
2.2 主要硬體組成
2.2.1 避障模組
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超聲波感測器(如圖5所示)，透過不斷採集距離引數，找到合適的行走路徑，不會碰撞到障礙物。
HC-SR04超聲波感測器主要技術引數：(1)使用電壓：DC5V;(2)靜態電流：小於2mA;(3)電平輸出：高5V;(4)電平輸出：低0V;(5)感應角度：不大於15度;(6)探測距離：2cm-450cm;(7)高精度：可達3mm。
2.2.2 健康監測模組
健康監測模組為一款用於脈搏心率測量的光電反射式模擬感測器(圖6所示)，固定在車頭部位，只要將手輕輕貼於它的表面等待10秒鐘，即可採集到模擬訊號並傳輸給微控制器，經過轉換變為數字訊號，並計算出心率數值，以語音方式報告給使用者，同時脈搏波形能夠透過顯示屏顯示。
2.2.3 語音識別模組
語音識別模組(圖7)能夠識別者發出的語音指令，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定的字元。特別是與簡訊模組配合使用，能夠實現語音緊急呼救功能，非常適合行動不便的老人，並且具備了良好的人機互動性。語音識別模組和2.4GHz無線傳輸模組(圖8)相結合，通訊距離可達500-800m，使語音控制不在僅侷限於小車的周圍。
2.2.4 環境引數模組
採用DHT11溫溼度感測器(圖9)和夏普光學粉塵感測器(GP2Y1010AU0F)(圖10)，進行室內的溫度、溼度以及空氣質量的測量，根據測量結果提示使用者是否需要開啟空調或者加溼器等，並把所測得的引數記錄在SD卡模組中。其中，DHT11溫溼度感測器溫度測量範圍為0～50℃，溼度為20%～90%RH;夏普光學粉塵感測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於所測得的粉塵濃度。
2.2.5 簡訊模組
選用SIM900A簡訊模組(圖11)，當使用者遭遇有害氣體洩漏、火災或盜賊闖入等危險情況發出語音呼救時，能夠實時將資訊以簡訊的方式傳送給緊急聯絡人和報警平臺。
2.2.6 安防模組
包括火焰感測器(圖12(a))、MQ-2燃氣感測器(圖12(b))和HC-SR501熱釋電紅外人體檢測感測器(圖12(c))。其中，火焰感測器是數字量輸出，在小車的巡航過程中，只要火焰感測器探測到火焰資訊，便以數字量的形式，傳送給微處理器，然後報警，提示主人存在危險，在主人不在家的.情況下可以傳送報警簡訊通知主人。MQ-2燃氣感測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)。當感測器所處環境中存在可燃氣體時，感測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訊號。該感測器對液化氣、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。其通訊方式為模擬量輸出，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傳送報警簡訊通知主人。同時，還能以遙控的方式自動關閉室內電器，以免發生爆炸。HC-SR501熱釋電紅外感測器安裝在車頭部位，紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電訊號，送出TTL電平至微處理器，然後報警，提醒主人有人闖入，在主人不在家的情況下可以傳送報警簡訊通知主人。
3 控制系統軟體設計
上位機軟體是基於C#.NET語音開發，能夠實時接收並顯示WIFI模組傳輸的影片資料、下位機感測器資料和傳送控制命令。如圖13所示，軟體主介面中包含影片顯示視窗和若干控制按鈕，可以用來進行網路連線、開關影片、設定引數、傳送動作指令等，具有良好的人機互動性。
4 實驗驗證與結論
透過總體結構方案和控制系統軟硬體設計，實現了智慧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、環境監測、家電開關遙控、健康指標監測、語音求助、家庭娛樂、燃氣火災報警、防盜報警、遠端監控等功能進行了測試，實現了預期功能。下一步工作主要是針對機器人影象處理能力，抓取物體的準確性等方面做進一步完善。