人工智能自動升降洗漱臺的設(shè)計(jì)

謝睿迪 馮雨禾 黃嘉雯

研究背景

居民家中洗漱臺的高度一般是按成人的身高制作的，孩子平時洗手時總是因?yàn)榧依锏南词_太高而弄濕袖子，如果洗漱臺的高度按孩子的身高制作的話，爸爸媽媽使用的時候就得把腰彎得很低。有的公共場所設(shè)有一個或兩個矮一些兒童洗手池，但也由于來洗手的人身高不同，存在用著不方便，資源不能重復(fù)利用的問題。如果洗漱臺的高度能夠隨使用者的身高自動調(diào)節(jié)的話，就能方便所有人使用。

怎樣利用我們所學(xué)的機(jī)器人知識解決這個問題呢？于是，我們利用VEX和樂高EV3機(jī)器人器材設(shè)計(jì)了一個可以自動測量使用者的身高并自動調(diào)整洗漱臺高度的智能升降洗漱臺。

研究目的

調(diào)查不同身高的人最舒適的洗漱臺高度，用樂高EV3的傳感器和電機(jī)設(shè)計(jì)并制作一種裝置，能夠檢測到有人來洗手，能夠自動測量使用者的身高，并能根據(jù)使用者的身高自動將洗漱臺調(diào)整到最舒適的位置。

研究方法

1.調(diào)查不同身高的人最舒適的洗漱臺高度。通過實(shí)地測量學(xué)校內(nèi)、肯德基、大型超市內(nèi)的洗漱臺的高度，以及隨機(jī)訪問同學(xué)、老師們感覺最舒適的洗漱臺的高度，推導(dǎo)出由身高計(jì)算最舒適洗漱臺高度的計(jì)算公式。

2.研制利用超聲波傳感器、電機(jī)、滑輪裝置制作不接觸人體就能準(zhǔn)確測量人身高的裝置。

3.研制利用電機(jī)、滑輪裝置將洗漱臺升降到舒適位置的裝置。

4.根據(jù)實(shí)際測試者的建議，改進(jìn)我們的設(shè)計(jì)，形成最終成品。

具體實(shí)施

我們的設(shè)計(jì)是將兩個超聲波傳感器裝置，放置在洗漱臺旁邊的立柱的軌道上，并通過滑輪裝置和電機(jī)能使超聲波傳感器上下移動。當(dāng)水平超聲波傳感器上下移動自動尋找人頭頂?shù)奈恢貌⑼Ｏ聛?，這時垂直超聲波傳感器測量距離立柱頂端標(biāo)志物的距離并計(jì)算出使用者身高;主機(jī)根據(jù)獲得的身高數(shù)據(jù)計(jì)算出最佳的洗漱臺高度，并驅(qū)動電機(jī)移動到該高度。

我們查詢到目前可升降洗漱臺多為兩種：一種為機(jī)械裝置，設(shè)置幾個銷卡分為幾檔，手動調(diào)節(jié)洗漱臺到相應(yīng)高度后用銷子卡住;另一種為電動式，用上下按鈕或遙控器控制設(shè)備，利用電機(jī)驅(qū)動洗漱臺上下移動。目前以上兩種均不能通過超聲波傳感器無接觸式的測量使用者的身高并根據(jù)使用者的身高自動調(diào)整洗漱臺的高度。

本項(xiàng)目通過無接觸式的快速測量使用者的身高，并根據(jù)身高自動調(diào)整洗漱臺的高度，最大程度上體現(xiàn)了以人為本，科技改變生活，機(jī)器人為人類服務(wù)的理念。

查閱資料、進(jìn)行構(gòu)思

通過上網(wǎng)查資料、實(shí)地測量肯德基的兒童洗手臺和成人洗手臺以及測量學(xué)校的洗手臺的高度，我們設(shè)計(jì)出了智能洗手臺的草圖，設(shè)想采用VEX的金屬材料搭建洗漱臺框架、用樂高EV3套件來搭建機(jī)械系統(tǒng)，完成智能自動升降洗漱臺機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

嘗試搭建、初步編程

我們先用VEX的金屬材料搭建洗漱臺框架，之后用樂高的齒輪和齒條結(jié)構(gòu)組裝了升降系統(tǒng)、自動測量身高系統(tǒng)，并進(jìn)行了編程。誕生了第一代“智能升降洗漱臺機(jī)器人”。

實(shí)驗(yàn)調(diào)試、初次改進(jìn)

通過實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，發(fā)現(xiàn)存在一個問題一一齒輪和齒條之問很容易脫齒，洗漱臺有一定的重量，升降時很費(fèi)勁。

我們決定將齒條結(jié)構(gòu)改為滑輪結(jié)構(gòu)來升降洗漱臺，并利用滑輪組省力的原理，用4個電機(jī)同步轉(zhuǎn)動拉動滑輪組的繩索。通過測試，發(fā)現(xiàn)洗漱臺升降平穩(wěn)多了，而且4個電機(jī)毫不費(fèi)力可以隨意停留在任何位置。

如何讓洗漱臺隨時感知自己所在的高度呢，我們在臺面下方安裝了一個超聲波傳感器，通過實(shí)時測量距離標(biāo)志物的距離，計(jì)算出臺面的實(shí)際高度。

再次調(diào)試、進(jìn)一步改進(jìn)測量身高部分

通過再次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在測量身高部分，由于超聲波傳感器的信息線不夠長，主機(jī)是和超聲波傳感器一起上下移動的，主機(jī)太重，插在電機(jī)上的軸總是壞掉。于是我們想做2根超長的信息線，我們將3根50cm的線接成一根長線，將主機(jī)和電機(jī)固定在金屬框架上，只讓兩個超聲波傳感器上下移動。

增加手動調(diào)節(jié)按鈕，再次調(diào)試、進(jìn)一步改進(jìn)測量身高部分

為更方便人們使用，我們?yōu)橄词峙_增加了手動調(diào)節(jié)按鈕，這樣洗漱臺自動調(diào)節(jié)高度完成后，還可以手動按上下按鈕調(diào)節(jié)洗漱臺的高度。

安裝裝飾板

我們?yōu)樯迪词_設(shè)計(jì)了裝飾板，這樣洗漱臺會更漂亮一些。

工作原理

（一）工作過程

1.1號超聲波檢測是否有人要使用洗漱臺，如果有人靠近洗漱臺，則通過語音主動和人打招呼。

2.使用者按下“開始”按鈕后，2號和3號超聲波同時向下移動，檢測人頭頂?shù)奈恢茫瑴y量出使用者的身高。按公式：身高÷2-10，計(jì)算出洗漱臺的舒適高度。

3.驅(qū)動電機(jī)將洗漱臺的調(diào)整到此高度（4號超聲波實(shí)時測量洗漱臺高度）。

4.另外還可以按上下按鈕手動調(diào)整洗漱臺的高度。

（二）無接觸自動測量身高工作原理

1.兩個超聲波傳感器（2號和3號）一起向下移動，2號超聲波傳感器水平掃描，直到檢測到人頭頂。

2.在超聲波運(yùn)行軌道的頂端有一個標(biāo)志物，此標(biāo)志物距離地面的高度為193cm。

3 3號超聲波測量出頭頂距離標(biāo)志物的距離，設(shè)為y，則人的身高H₄₁為193-y。

（三）臺面最佳高度

我們通過使用者測試體會以及與網(wǎng)上相關(guān)資料的對比，得出以下結(jié)論：洗漱臺在人身高一半位置再向下10cm處時，是使用者感覺比較舒服的高度。所以，根據(jù)上一步測出的使用者的身高（H₄₁），很容易得出洗漱臺應(yīng)到達(dá)的高度（H₂）的計(jì)算公式為：H₂=H₁÷2-10

（四）臺面實(shí)時高度的計(jì)算

位于臺面下方的4號超聲波傳感器實(shí)時測量臺面到下方標(biāo)志物的距離，設(shè)為h。

洗漱臺的實(shí)時高度為：H₂=h+48cm。