人工智能自動升降洗漱臺的設計

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為家里的洗漱臺太高而弄濕袖子，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節的話，就能方便所有人使用。

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

研究目的

調查不同身高的人最舒適的洗漱臺高度，用樂高EV3的傳感器和電機設計并制作一種裝置，能夠檢測到有人來洗手，能夠自動測量使用者的身高，并能根據使用者的身高自動將洗漱臺調整到最舒適的位置。

研究方法

1.調查不同身高的人最舒適的洗漱臺高度。通過實地測量學校內、肯德基、大型超市內的洗漱臺的高度，以及隨機訪問同學、老師們感覺最舒適的洗漱臺的高度，推導出由身高計算最舒適洗漱臺高度的計算公式。

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

3.研制利用電機、滑輪裝置將洗漱臺升降到舒適位置的裝置。

4.根據實際測試者的建議，改進我們的設計，形成最終成品。

具體實施

我們的設計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能使超聲波傳感器上下移動。當水平超聲波傳感器上下移動自動尋找人頭頂的位置并停下來，這時垂直超聲波傳感器測量距離立柱頂端標志物的距離并計算出使用者身高;主機根據獲得的身高數據計算出最佳的洗漱臺高度，并驅動電機移動到該高度。

我們查詢到目前可升降洗漱臺多為兩種：一種為機械裝置，設置幾個銷卡分為幾檔，手動調節洗漱臺到相應高度后用銷子卡住;另一種為電動式，用上下按鈕或遙控器控制設備，利用電機驅動洗漱臺上下移動。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使用者的身高自動調整洗漱臺的高度。

本項目通過無接觸式的快速測量使用者的身高，并根據身高自動調整洗漱臺的高度，最大程度上體現了以人為本，科技改變生活，機器人為人類服務的理念。

查閱資料、進行構思

通過上網查資料、實地測量肯德基的兒童洗手臺和成人洗手臺以及測量學校的洗手臺的高度，我們設計出了智能洗手臺的草圖，設想采用VEX的金屬材料搭建洗漱臺框架、用樂高EV3套件來搭建機械系統，完成智能自動升降洗漱臺機器人的設計。

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構組裝了升降系統、自動測量身高系統，并進行了編程。誕生了第一代“智能升降洗漱臺機器人”。

實驗調試、初次改進

通過實驗和調試，發現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，升降時很費勁。

我們決定將齒條結構改為滑輪結構來升降洗漱臺，并利用滑輪組省力的原理，用4個電機同步轉動拉動滑輪組的繩索。通過測試，發現洗漱臺升降平穩多了，而且4個電機毫不費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，通過實時測量距離標志物的距離，計算出臺面的實際高度。

再次調試、進一步改進測量身高部分

通過再次調試發現，在測量身高部分，由于超聲波傳感器的信息線不夠長，主機是和超聲波傳感器一起上下移動的，主機太重，插在電機上的軸總是壞掉。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，將主機和電機固定在金屬框架上，只讓兩個超聲波傳感器上下移動。

增加手動調節按鈕，再次調試、進一步改進測量身高部分

為更方便人們使用，我們為洗手臺增加了手動調節按鈕，這樣洗漱臺自動調節高度完成后，還可以手動按上下按鈕調節洗漱臺的高度。

安裝裝飾板

我們為升降洗漱臺設計了裝飾板，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，檢測人頭頂的位置，測量出使用者的身高。按公式：身高÷2-10，計算出洗漱臺的舒適高度。

3.驅動電機將洗漱臺的調整到此高度（4號超聲波實時測量洗漱臺高度）。

4.另外還可以按上下按鈕手動調整洗漱臺的高度。

（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.在超聲波運行軌道的頂端有一個標志物，此標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志物的距離，設為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上相關資料的對比，得出以下結論：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，根據上一步測出的使用者的身高（H₄₁），很容易得出洗漱臺應到達的高度（H₂）的計算公式為：H₂=H₁÷2-10

（四）臺面實時高度的計算

位于臺面下方的4號超聲波傳感器實時測量臺面到下方標志物的距離，設為h。

洗漱臺的實時高度為：H₂=h+48cm。