面向家庭的服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓喆+賈寧

摘要：本文實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向家庭的服務(wù)型機(jī)器人，利用智能機(jī)器人和手機(jī)端控制將用戶從這些繁瑣的家庭勞動(dòng)中解脫出來。通過利用此設(shè)備，可以幫助用戶控制機(jī)器人上安置的攝像頭，利用Android手機(jī)客戶端或PC端遠(yuǎn)程監(jiān)控家中的環(huán)境信息。此外，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)家中信息自助獲取、圖像繪制，通過WIFI接收圖片信息，利用face++進(jìn)行人臉分析，或者圖片分析。從而實(shí)現(xiàn)自主避障、清潔等功能。此機(jī)器人包括以下四種運(yùn)行模式：紅外模式、跟蹤模式、邊沿模式、人為控制模式。其中，前三種模式通過特定的傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走與清潔。人為控制模式則是利用手機(jī)客戶端進(jìn)行定性的控制。用戶可根據(jù)實(shí)際情況自主選擇模式進(jìn)行機(jī)器人的使用。

關(guān)鍵詞：服務(wù)型機(jī)器人；實(shí)時(shí)監(jiān)控；手機(jī)客戶端；運(yùn)行模式

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人開始在各種領(lǐng)域大展身手，除了在軍事、航空、制造等傳統(tǒng)領(lǐng)域之外，近年來機(jī)器人開始在醫(yī)院、家庭等服務(wù)行業(yè)開展廣泛的應(yīng)用，普通機(jī)器人既能接受用戶的方向性指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，依靠其高度自動(dòng)化，為用戶提供服務(wù)。

目前，機(jī)器人除了依靠傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、觸覺、聲覺等多種傳感器的融合技術(shù)已經(jīng)開始成熟應(yīng)用于機(jī)器人之中，加之元器件的高度集成，體積的急劇縮小。這些因素導(dǎo)致服務(wù)型機(jī)器人的流行，機(jī)器人使用這些集成的傳感器去感受用戶的需求，去適應(yīng)、學(xué)習(xí)周邊的家庭環(huán)境。用戶通過使用這種機(jī)器人把用戶從繁重的家務(wù)勞動(dòng)中解放出來，而在家庭勞動(dòng)需求中，衛(wèi)生掃除占據(jù)70%以上。因此很多商家將機(jī)器人的服務(wù)視角放到打掃機(jī)器人身上，但是由于開發(fā)時(shí)間短、市場需求量大、造價(jià)高、有安全隱患等因素，導(dǎo)致以打掃為主的服務(wù)型機(jī)器人有很大的市場空間和市場潛力。而目前市場上的打掃機(jī)器人，底盤操作的噪音較大，若使用普通的遙控器，容易丟失，而且充電麻煩，浪費(fèi)電池。

基于以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款服務(wù)于家庭的掃地機(jī)器人，用戶可以使用Android手機(jī)對機(jī)器人進(jìn)行控制，方便而且節(jié)能，同時(shí)此機(jī)器人提供多種工作模式，用戶可根據(jù)自身情況進(jìn)行模式挑選，而且產(chǎn)品造價(jià)成本低廉，適應(yīng)于經(jīng)濟(jì)型家庭進(jìn)行選擇。

2服務(wù)型機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

此服務(wù)型機(jī)器人采用增強(qiáng)型的51內(nèi)核單片機(jī)STCllF32XE，低功耗，可抗干擾，內(nèi)置雙路全橋驅(qū)動(dòng)電路，利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用紅外、雷達(dá)傳感器代替機(jī)器人的觸覺，用了3個(gè)鋰電池為小車提供動(dòng)力。

2.1設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的打掃過程在打掃角落環(huán)節(jié)中，需要浪費(fèi)大量的時(shí)間，隨時(shí)產(chǎn)生的垃圾、床底黑暗角落，掃起來非常麻煩。

此機(jī)器人融合若干傳感器的功能，實(shí)現(xiàn)硬件與軟件之間的實(shí)時(shí)通訊，快速傳遞信息，完成用戶的需求。

此機(jī)器人可以通過Android手機(jī)進(jìn)行控制，利用攝像頭查看較低位置的死角，之后控制機(jī)器人去清潔死角。此外，可以利用跟蹤模式，清理新產(chǎn)生的垃圾。

現(xiàn)在市場上的機(jī)器人用圓盤吸塵，盡管吸塵效果好，但是產(chǎn)生的噪音大，所以此機(jī)器人采用傳統(tǒng)的拖布，可以隨時(shí)更替，且噪音較小，同時(shí)使用Android手機(jī)客戶端代替?zhèn)鹘y(tǒng)的遙控器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，充電方便，而且更加環(huán)保。面對家中的障礙物和特殊情況，可以設(shè)計(jì)不同的響應(yīng)模式，方便用戶自主選擇。

2.2硬件設(shè)計(jì)

此機(jī)器人提供了舵機(jī)、充電、紅外、雷達(dá)、充電器、WiFi模塊接口和馬達(dá)，大容量電池提供電量，增加了流水燈、提醒等功能，通過WIFI模塊、UDP通訊方式、Android手機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定通信。圖1是此機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)圖。圖2是機(jī)器人的通訊接口圖。

2.3機(jī)器人運(yùn)行模式

根據(jù)用戶的需求，此機(jī)器人包含以下幾種運(yùn)行模式：

1.避障模式：躲避家中的障礙物，隨機(jī)清掃衛(wèi)生，利用紅外進(jìn)行對周邊事物的感應(yīng)，用左右舵機(jī)加減速來避障礙物；

2.控制模式：通過Android手機(jī)發(fā)送WIFI指令，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制；

3.邊沿模式：邊沿打掃功能，通過控制行進(jìn)角度避免損害障礙物，同時(shí)進(jìn)行死角打掃，利用紅外和雷達(dá)，先調(diào)整機(jī)器人即將行進(jìn)的角度，再進(jìn)行邊沿行進(jìn)，確保不會碰到障礙物；

4.跟蹤模式：可以根據(jù)跟蹤模式，跟隨用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)方位的清潔，通過雷達(dá)控制距離，通過紅外調(diào)整方向，通過攝像頭來判斷是否跟蹤人或是物品。

5.監(jiān)控模式：利用WIFI模塊，通過UDP方式進(jìn)行家中實(shí)時(shí)環(huán)境的監(jiān)控。

3服務(wù)型機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)方案

此機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)主要針對Android手機(jī)客戶端，軟件的主界面可接收實(shí)時(shí)傳來的攝像頭視頻數(shù)據(jù)，可以通過按鍵讓手機(jī)拍下當(dāng)前以攝像頭為第一視角的圖片。

主界面上有選擇功能模式的4個(gè)按鈕，可以選擇機(jī)器人的運(yùn)行模式，如：避障模式、邊沿模式、跟隨模式等，同時(shí)可以前、后、左、右控制機(jī)器人的行為，也可以利用上、下、左、右4個(gè)鍵來控制攝像頭調(diào)整監(jiān)控視角，此外，加速、減速兩個(gè)按鈕可以控制機(jī)器人的行動(dòng)速度。

3.1跟蹤功能

跟蹤功能的主要對象是操作用戶，此機(jī)器人可以跟隨用戶的腳步，進(jìn)行即時(shí)移動(dòng)和清潔。

此功能的設(shè)計(jì)思路是，利用Android手機(jī)客戶端發(fā)送指令開啟此功能，利用不同傳感器返回的距離值進(jìn)行判斷，利用紅外傳感器控制、跟蹤用戶的方向，利用返回值判斷前方有無障礙物，利用雷達(dá)控制機(jī)器人和用戶之間的距離，利用攝像頭判斷是否正確跟蹤用戶。使用face++功能識別用戶面部，判斷跟蹤是否正確。圖3是跟蹤功能的流程圖。

3.2避障功能

此功能主要利用紅外模塊進(jìn)行判斷前方、左右有無障礙物，對周邊環(huán)境的進(jìn)行預(yù)判。

此功能的實(shí)現(xiàn)思路是，當(dāng)前方、左右無障礙物時(shí)，進(jìn)行正常行進(jìn)；當(dāng)右邊有障礙物時(shí)，左舵機(jī)加速移動(dòng)；當(dāng)左邊有障礙物時(shí)，右舵機(jī)加速移動(dòng)；當(dāng)卡入死角時(shí)，先后退到安全距離，然后判斷左右障礙物的距離，進(jìn)行左右偏轉(zhuǎn)后行進(jìn)。圖4是避障功能流程圖。

4結(jié)論

此服務(wù)型機(jī)器人采用紅外、雷達(dá)、攝像頭等模塊，結(jié)合Android手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)對家庭的清潔管理與監(jiān)控。此外，該機(jī)器人清潔過程的分貝較低，而且操控方式簡單，只需手機(jī)安裝應(yīng)用程序即可直接操控機(jī)器人，為了方便用戶使用，此機(jī)器人提供多種模式可供用戶選擇。

以上優(yōu)勢均為此服務(wù)型機(jī)器人設(shè)備的推廣提供了良好的基礎(chǔ)，在此版本機(jī)器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者將進(jìn)一步增加客戶端的類型與機(jī)器人的功能，為用戶提供更好的操作體驗(yàn)。