助老環(huán)境與安全服務(wù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王露，蔣恒新，閆瀟樂

重慶交通大學(xué)，重慶，400074

0 引言

如今工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展迅速，依靠人工來(lái)完成的工作大多被工業(yè)機(jī)器人所承擔(dān)，因此移動(dòng)機(jī)器人的研究已經(jīng)從工業(yè)生產(chǎn)上不斷地向我們的日常生活領(lǐng)域轉(zhuǎn)換[1]。由于ROS系統(tǒng)具有快速開發(fā)的特點(diǎn)，因此在許多方面都得到了應(yīng)用，ZAMAN等人[2]實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人即時(shí)定位和地圖構(gòu)建的功能，KERR等人[3]實(shí)現(xiàn)了仿真機(jī)器人等。助老服務(wù)機(jī)器人主要包含有感知環(huán)境的系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及語(yǔ)音控制系統(tǒng)等，通過這些系統(tǒng)的互相聯(lián)動(dòng)，才能搭建一臺(tái)較為理想的助老機(jī)器人。搭建助老服務(wù)機(jī)器人的本體最主要的就是設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該部分不僅可以決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，還影響著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的范圍及運(yùn)動(dòng)的可靠性，是移動(dòng)機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。自主導(dǎo)航技術(shù)作為移動(dòng)機(jī)器人的研究核心，是指機(jī)器人通過激光雷達(dá)所感知到的環(huán)境信息和自身的位置，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)間的自主移動(dòng)，在移動(dòng)過程中還可以合理地避開障礙物[4]。本設(shè)計(jì)采用多傳感器來(lái)對(duì)室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行感知，包括激光雷達(dá)、雙目攝像頭等，通過多個(gè)傳感器的融合，機(jī)器人便可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自主導(dǎo)航的目的。本設(shè)計(jì)還充分考慮了機(jī)器人的各項(xiàng)用途及各部分功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了不斷的改進(jìn)與完善，成功搭建了助老服務(wù)機(jī)器人。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠保證各功能部件之間良好運(yùn)作，確保了機(jī)器人在室內(nèi)運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 樹莓派主控電路

本設(shè)計(jì)采用以樹莓派4B（Raspberry Pi 4B）為核心芯片的控制電路。樹莓派4B具備1.5GHz運(yùn)行的64位四核處理器，最高支持以60fps速度刷新的4K分辨率的雙顯示屏，高達(dá)4GB RAM，2.4/5.0GHz雙頻無(wú)線LAN，藍(lán)牙5.0/BLE，USB3.0和POE功能。

1.2 單片機(jī)底層控制

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6的控制電路。該單片機(jī)為32位CPU，片內(nèi)帶有兩個(gè)無(wú)源振蕩器，主頻晶振為8MHz，可倍頻至72MHz，RTC晶振為32.768kHz。同時(shí)該單片機(jī)擁有84個(gè)中斷，包括16個(gè)內(nèi)核中斷和60個(gè)可屏蔽中斷，具有16級(jí)可編程的中斷優(yōu)先級(jí)。該芯片共有8個(gè)定時(shí)器，包含2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器。STM32控制器實(shí)現(xiàn)的主要功能是采集里程計(jì)信息、采集陀螺儀信息和電機(jī)控制。STM32控制器將實(shí)現(xiàn)ROS主控發(fā)送過來(lái)的目標(biāo)速度并且給ROS主控去提供運(yùn)動(dòng)底盤的傳感器的信息，包括里程計(jì)信息、IMU和電池電壓數(shù)據(jù)。

1.3 IMU慣性測(cè)量單元

本設(shè)計(jì)采用HWT101旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角度傳感器，該模塊集成高精度的水晶陀螺儀傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，穩(wěn)定性極高，內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓3.3～5V，引腳電平兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)。支持串口和IIC兩種數(shù)字接口。串口速率2400～921600bps可調(diào)，IIC接口支持全速400K速率，最高500Hz數(shù)據(jù)輸出頻率。保留4路擴(kuò)展端口，可以分別配置為模擬輸入、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和PWM輸出等功能。具備GPS連接能力，可接受符合NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)的串口GPS數(shù)據(jù)，形成GPS-IMU組合導(dǎo)航單元。

1.4 輪式底盤設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)助老服務(wù)機(jī)器人的控制程序中有多個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該助老服務(wù)機(jī)器人的位置姿態(tài)控制。機(jī)器人底盤配備有兩個(gè)減速比為1：56的帶編碼器直流減速電機(jī)，既能夠控制移動(dòng)機(jī)器人的行駛距離，還可以控制機(jī)器人運(yùn)行的速度。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)底盤如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用了萬(wàn)向輪為從動(dòng)輪，萬(wàn)向輪的一大優(yōu)點(diǎn)就是靈活、控制簡(jiǎn)單且可靠。利用萬(wàn)向輪可以克服麥克納姆輪的缺點(diǎn)，而且也不會(huì)打滑，機(jī)器人便可在室內(nèi)完成各種形式的運(yùn)動(dòng)。軌跡跟蹤控制是輪式機(jī)器人的一個(gè)典型任務(wù)，軌跡跟蹤控制不僅具有空間位置要求，同時(shí)還具有時(shí)間要求, 即機(jī)器人要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)指定位置, 使機(jī)器人跟蹤一條以時(shí)間為參數(shù)的軌跡[5]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架

2.1 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)框架

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人主要由控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成。控制裝置主要包括樹莓派主板和STM32主板，樹莓派主板和STM32之間采用串口來(lái)進(jìn)行通信。STM32驅(qū)動(dòng)板通過接收樹莓派ROS操作系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制信息，經(jīng)過一系列的算法，將運(yùn)動(dòng)控制信息轉(zhuǎn)換成PWM波，以此來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人移動(dòng)到室內(nèi)的任意位置。圖2為本設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)框架圖。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到室內(nèi)場(chǎng)所的要求和機(jī)器人的重心等問題，本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人采用可以在平地平穩(wěn)前進(jìn)的輪式底盤。該底盤配有兩個(gè)萬(wàn)向輪作為從動(dòng)輪，在有轉(zhuǎn)向要求時(shí)，可以幫助移動(dòng)機(jī)器人快速且準(zhǔn)確地移動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人硬件分為上下四層：第一層安裝有雙目攝像頭、激光雷達(dá)和環(huán)形六麥克風(fēng)陣列，第二層為航模電池等設(shè)備，第三層安裝樹莓派主板和各類傳感器，第四層安裝STM32驅(qū)動(dòng)板。電源采用11.1V航模電池，經(jīng)USB、LM2596S穩(wěn)壓等給機(jī)器人供電。兩輪差分底盤編碼器電機(jī)經(jīng)TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)與STM32連接，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。單片機(jī)通過串口數(shù)據(jù)線與樹莓派通信。激光雷達(dá)、麥克風(fēng)陣列放置于機(jī)器人本體的頂層，以防車體本身干擾。所有供電模塊通過急停按鈕控制，便于人為地處理一些突發(fā)的緊急情況，使機(jī)器人能夠緊急停止工作。

表1 主要硬件型號(hào)及參數(shù)

3 主要算法及原理

3.1 自主導(dǎo)航

本設(shè)計(jì)采用Gmapping功能包來(lái)進(jìn)行自主導(dǎo)航。在路徑規(guī)劃中采用了Navigation功能包，該功能包首先得訂閱laser_scan話題，此話題含有激光雷達(dá)的深度信息，同時(shí)樹莓派主板接收底盤傳輸上來(lái)的里程計(jì)信息，運(yùn)用Rao-Blackwelllized粒子濾波算法，經(jīng)過了一系列參數(shù)的調(diào)整，就可以輸出二維柵格地圖，從而完成室內(nèi)各個(gè)區(qū)域地圖的構(gòu)建。

3.2 DWA算法

本設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行自主導(dǎo)航時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人首先會(huì)通過全局的路徑規(guī)劃，在室內(nèi)構(gòu)建的地圖中計(jì)算出一條從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的最為理想的行徑。實(shí)際上機(jī)器人在室內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)方向會(huì)與操作者下發(fā)的指令存在一些偏差，這時(shí)本地路徑規(guī)劃器會(huì)將全局路徑分成塊，分塊控制移動(dòng)機(jī)器人的位置和姿態(tài)，使之在局部切合全局路徑的計(jì)劃。通過將全局路徑設(shè)計(jì)和局部路徑設(shè)計(jì)互相聯(lián)系的方式，機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的目的。在本設(shè)計(jì)中，局部路徑規(guī)劃算法采用DWA算法。在ROS系統(tǒng)中，當(dāng)move_base處在規(guī)劃的時(shí)刻時(shí)，通過調(diào)用DWA算法，便可以計(jì)算出一條最佳的速度命令，將這條命令發(fā)送給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)底盤執(zhí)行。利用DWA算法，首先要確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型，然后要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行速度的采集，通過獲取機(jī)器人的多組速度，采用速度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)每個(gè)速度所生成的軌跡進(jìn)行評(píng)價(jià)，就可以計(jì)算出機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)的確切軌跡。

3.3 激光測(cè)距原理

本設(shè)計(jì)采用思嵐激光雷達(dá)YDLIDAR X2L，利用三角測(cè)距這一原理，實(shí)現(xiàn)了高精度的距離測(cè)量。在測(cè)距的同時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)行360度的掃描，不斷地獲取移動(dòng)機(jī)器人的角度信息，最終實(shí)現(xiàn)掃描環(huán)境的云數(shù)據(jù)的輸出。X2L采用3.3V電平串口（UART）實(shí)現(xiàn)通信，可以依照系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行通信，以此來(lái)得到掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、設(shè)備信息和設(shè)備狀況，并可設(shè)置設(shè)備工作模式等。X2L自帶電機(jī)調(diào)速功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，外設(shè)可通過接口中的M_SCTR管腳輸入控制信號(hào)對(duì)X2L的電機(jī)進(jìn)行控制。M_SCTR為電機(jī)速度控制信號(hào)，可電壓調(diào)速，也可以PWM波調(diào)試，電壓越低/PWM占空比越小，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越高，占空比為0%時(shí)速度最大。

3.4 語(yǔ)音控制功能

語(yǔ)音控制是利用科大訊飛六麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲音信號(hào)的采集，然后再利用訊飛評(píng)估板對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行過濾，通過離線命令詞識(shí)別的方法將信號(hào)轉(zhuǎn)換成文字，以文字的形式返回。操作者可通過語(yǔ)音交互這一功能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行提問，問題主要涉及室內(nèi)的環(huán)境狀況、機(jī)器人自主檢測(cè)展廳內(nèi)的溫濕度及二氧化碳情況，語(yǔ)音播報(bào)其含量，通過USB免聲卡驅(qū)動(dòng)連接喇叭來(lái)反饋操作者的提問。當(dāng)機(jī)器人在室內(nèi)任意環(huán)境中被操作人員呼喚，機(jī)器人能夠語(yǔ)音識(shí)別并做出相應(yīng)的反應(yīng)。同時(shí)還可以通過語(yǔ)音對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，如啟動(dòng)、停止、對(duì)話等。

4 結(jié)語(yǔ)

由于移動(dòng)機(jī)器人底盤使用了驅(qū)動(dòng)輪及萬(wàn)向輪，機(jī)器人本體采用了四層陽(yáng)極氧化鋁合金板及鋁型材為主要結(jié)構(gòu)，因此該設(shè)計(jì)能夠保證移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)的任意位置穩(wěn)定地行駛，同時(shí)當(dāng)機(jī)器人有轉(zhuǎn)向要求的時(shí)候，可以通過控制底盤進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)。該機(jī)械裝置為機(jī)器人提供了可靠的工作條件，保證了各層設(shè)備的良好運(yùn)作能力。本設(shè)計(jì)機(jī)器人主要是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的功能，機(jī)器人通過自主路徑規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)任意區(qū)域自主移動(dòng)。老人行動(dòng)不便時(shí)，通過手勢(shì)或者語(yǔ)音對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令，機(jī)器人通過自主導(dǎo)航的方式到達(dá)指定位置，做出相應(yīng)的動(dòng)作。

移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)較為復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、通信控制、傳感器信息融合及電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，而機(jī)械結(jié)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人這一復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)也決定了移動(dòng)機(jī)器人是否能夠正常投入使用。本設(shè)計(jì)基于整體結(jié)構(gòu)的布局與控制，借鑒了各類移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不斷的創(chuàng)新與改進(jìn)，完成了助老機(jī)器人的設(shè)計(jì)。同時(shí)鋁合金板及鋁型材支撐柱增加了移動(dòng)機(jī)器人外殼的強(qiáng)度，能夠較好地保證移動(dòng)機(jī)器人的使用期限。結(jié)果表明本設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人可滿足語(yǔ)音控制、自主導(dǎo)航等功能，能夠較好地實(shí)現(xiàn)助老服務(wù)的目的。