基于星空定位的智能助老機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

李猛　關(guān)蓓蓓　劉書威　丁航

摘 要：隨著人口老齡化進(jìn)程的加快及機(jī)器人、智能控制等方面技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于助老助殘服務(wù)機(jī)器人的研制開發(fā)也越來越多的受到人們的關(guān)注。文章在近年來服務(wù)機(jī)器人定位技術(shù)研究和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于星空定位的智能助老機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM9處理器S3C2440為控制核心，搭載PC工控機(jī)，配備星空定位模塊及各種傳感器模塊，自主開發(fā)應(yīng)用控制程序，能夠完成穩(wěn)定行走、環(huán)境監(jiān)測(cè)、物體抓取等輔助老人生活自理的工作。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)行良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：助老機(jī)器人；定位導(dǎo)航；ARM9微處理器；傳感器

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0014-02

1 概述

人口老齡化已經(jīng)成為21世紀(jì)不可逆轉(zhuǎn)的世界性趨勢(shì)，人口老齡化問題將成為世界各國(guó)面臨的前所未有的新挑戰(zhàn)，另外不少數(shù)量的各類殘疾口人也使得助老助殘問題正日益成為一個(gè)重大的社會(huì)問題。因此，研制開發(fā)助老助殘機(jī)器人產(chǎn)品，以輔助老人日常的生活自理，保證社會(huì)穩(wěn)定具有重要作用。

機(jī)器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)包括定位導(dǎo)航技術(shù)、功能性的機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)和智能技術(shù)等。本文在綜述近年來服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，以助老服務(wù)機(jī)器人為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于星空定位的助老機(jī)器人系統(tǒng)，該助老機(jī)器人能夠在室內(nèi)完成一些輔助老人日常生活的基本功能，例如穩(wěn)定行走、環(huán)境監(jiān)測(cè)、抓取物品等。

2 機(jī)器人定位技術(shù)

定位技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于一個(gè)自主的機(jī)器人系統(tǒng)，精確的空間定位是其實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的前提。定位更具體地說是利用先驗(yàn)環(huán)境地圖信息、機(jī)器人位姿的當(dāng)前估計(jì)以及傳感器的觀測(cè)值等輸入信息，經(jīng)過一定的處理和變換，產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位姿的估計(jì)。

本文采用的星空定位方法是在基于路標(biāo)和基于地圖方法的基礎(chǔ)之上，采用一種星空定位模塊所設(shè)計(jì)的，基本原理是采用基于天花板上的幾何圖形路標(biāo)來構(gòu)建環(huán)境地圖，以實(shí)現(xiàn)助老機(jī)器人的室內(nèi)自主導(dǎo)航定位。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能助老服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)兩部分，硬件平臺(tái)由微處理器和外圍的接口電路組成， 同時(shí)還包括傳感器及驅(qū)動(dòng)器接口和被控對(duì)象（機(jī)械裝置）；而軟件一般由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其運(yùn)行的應(yīng)用軟件構(gòu)成，其應(yīng)用軟件的功能層由基于RTOS 的應(yīng)用程序組成，用來控制被控對(duì)象，系統(tǒng)軟硬件層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能助老服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三大部分。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和安裝連接等，硬件系統(tǒng)主要指控制系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分。

4.1 機(jī)械系統(tǒng)

智能助老機(jī)器人的外殼及結(jié)構(gòu)由輕質(zhì)鋁合金組成，它依靠2個(gè)具有實(shí)時(shí)角度反饋的主動(dòng)輪進(jìn)行精確地移動(dòng)；配置5個(gè)自由度的機(jī)械臂，各關(guān)節(jié)部分由大功率舵機(jī)來連接，以完成機(jī)器人簡(jiǎn)單的物體抓取工作；機(jī)身前部安裝6個(gè)超聲波傳感器，底部前后各安裝3組碰撞傳感器，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障；機(jī)身上部配置星空定位模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航；另外還配置數(shù)字?jǐn)z像頭，用來實(shí)現(xiàn)人臉和物體的識(shí)別。

4.2 控制系統(tǒng)

智能助老機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，其硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。首先它是用戶控制邏輯的具體執(zhí)行者，機(jī)器人的各種控制功能必須通過硬件實(shí)現(xiàn)；其次它也是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件移植和運(yùn)行的硬件環(huán)境。本助老機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用部件模塊化，接口標(biāo)準(zhǔn)化，由每一個(gè)功能模塊組成一個(gè)有機(jī)整體，整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、定位模塊、傳感器模塊以及電源管理模塊等，其功能組成框圖如圖2所示。

4.2.1 處理器控制模塊

處理器模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心模塊，其性能好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。選用三星公司ARM9系列的S3C2440處理器作為助老機(jī)器人的控制CPU，在嵌入式操作系統(tǒng)Linux下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制。S3C2440處理器采用ARM920T內(nèi)核，內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)400 MHz，因此可用來進(jìn)行復(fù)雜控制算法，提高控制精度；擁有MMU（內(nèi)存管理單元）、3路UART控制器、SD主機(jī)和MMC接口以及大量通用I/O口，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

4.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊采用ARM7和FPGA控制芯片，對(duì)外的通訊方式有多種，可以滿足不同的控制方式。其中直流電機(jī)的控制部分采用PID算法，可以實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度，而且?guī)в薪嵌缺３止δ堋?/p>

4.2.3 定位模塊

星空定位模塊采用定位模塊StarGaze，StarGazer模塊包括紅外無(wú)源標(biāo)簽和紅外發(fā)射接收器兩部分，是專為家庭服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)部環(huán)境定位傳感設(shè)備。星空定位系統(tǒng)所發(fā)出的紅外線，通過粘貼在房頂墻面上的的無(wú)源標(biāo)簽進(jìn)行反射以后被StarGazer系統(tǒng)的紅外接收器接收到，從而完成對(duì)助老機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位的任務(wù)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能助老機(jī)器人系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括機(jī)載計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩大部分，機(jī)載計(jì)算機(jī)是指安裝在助老機(jī)器人上面的PC工控機(jī)，預(yù)裝Windows XP嵌入式操作系統(tǒng)，用來運(yùn)行用戶自主開發(fā)的應(yīng)用程序。機(jī)載計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腃++編程語(yǔ)言，基于Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，控制系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，兩者之間采用基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技與服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，助老機(jī)器人越來越受到人們的關(guān)注，也越來越貼近人們的日常生活，這給未來人口老齡化問題提供了一個(gè)可行的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用開發(fā)與市場(chǎng)前景。本文研究的這種基于星空定位的助老服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，較好地解決了自主移動(dòng)式機(jī)器人的定位導(dǎo)航問題，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的行走、物體識(shí)別、語(yǔ)音人機(jī)交互及抓取物體等功能，可以輔助老人進(jìn)行日程的生活自理。

參考文獻(xiàn)：

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