基于星空定位的智能助老機器人的研究與設(shè)計

李猛　關(guān)蓓蓓　劉書威　丁航

摘 要：隨著人口老齡化進程的加快及機器人、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)機器人定位技術(shù)研究和發(fā)展狀況的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于星空定位的智能助老機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM9處理器S3C2440為控制核心，搭載PC工控機，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、物體抓取等輔助老人生活自理的工作。該系統(tǒng)經(jīng)實驗驗證，運行良好，達到了設(shè)計要求。

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

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0014-02

1 概述

人口老齡化已經(jīng)成為21世紀不可逆轉(zhuǎn)的世界性趨勢，人口老齡化問題將成為世界各國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重大的社會問題。因此，研制開發(fā)助老助殘機器人產(chǎn)品，以輔助老人日常的生活自理，保證社會穩(wěn)定具有重要作用。

機器人研究中的關(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)機器人技術(shù)研究和發(fā)展狀況的基礎(chǔ)上，以助老服務(wù)機器人為研究對象，設(shè)計了一種基于星空定位的助老機器人系統(tǒng)，該助老機器人能夠在室內(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、抓取物品等。

2 機器人定位技術(shù)

定位技術(shù)是移動機器人研究中的一項關(guān)鍵技術(shù)，對于一個自主的機器人系統(tǒng)，精確的空間定位是其實現(xiàn)自主導(dǎo)航的前提。定位更具體地說是利用先驗環(huán)境地圖信息、機器人位姿的當前估計以及傳感器的觀測值等輸入信息，經(jīng)過一定的處理和變換，產(chǎn)生更加準確的對機器人當前位姿的估計。

本文采用的星空定位方法是在基于路標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)計的，基本原理是采用基于天花板上的幾何圖形路標來構(gòu)建環(huán)境地圖，以實現(xiàn)助老機器人的室內(nèi)自主導(dǎo)航定位。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能助老服務(wù)機器人系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件平臺與軟件平臺兩部分，硬件平臺由微處理器和外圍的接口電路組成， 同時還包括傳感器及驅(qū)動器接口和被控對象（機械裝置）；而軟件一般由實時操作系統(tǒng)及其運行的應(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

該智能助老服務(wù)機器人系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三大部分。機械系統(tǒng)設(shè)計主要包括機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動機構(gòu)設(shè)計、設(shè)備選型和安裝連接等，硬件系統(tǒng)主要指控制系統(tǒng)，是整個機器人系統(tǒng)的核心部分。

4.1 機械系統(tǒng)

智能助老機器人的外殼及結(jié)構(gòu)由輕質(zhì)鋁合金組成，它依靠2個具有實時角度反饋的主動輪進行精確地移動；配置5個自由度的機械臂，各關(guān)節(jié)部分由大功率舵機來連接，以完成機器人簡單的物體抓取工作；機身前部安裝6個超聲波傳感器，底部前后各安裝3組碰撞傳感器，以實現(xiàn)機器人的避障；機身上部配置星空定位模塊實現(xiàn)機器人的自主導(dǎo)航；另外還配置數(shù)字攝像頭，用來實現(xiàn)人臉和物體的識別。

4.2 控制系統(tǒng)

智能助老機器人的控制系統(tǒng)是機器人的神經(jīng)中樞，其硬件設(shè)計至關(guān)重要。首先它是用戶控制邏輯的具體執(zhí)行者，機器人的各種控制功能必須通過硬件實現(xiàn)；其次它也是實時控制系統(tǒng)軟件移植和運行的硬件環(huán)境。本助老機器人的控制系統(tǒng)采用部件模塊化，接口標準化，由每一個功能模塊組成一個有機整體，整個控制系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：處理器模塊、電機驅(qū)動控制模塊、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

處理器模塊是整個控制系統(tǒng)的核心模塊，其性能好壞直接決定整個系統(tǒng)的運行效果。選用三星公司ARM9系列的S3C2440處理器作為助老機器人的控制CPU，在嵌入式操作系統(tǒng)Linux下實現(xiàn)機器人控制。S3C2440處理器采用ARM920T內(nèi)核，內(nèi)部時鐘可達400 MHz，因此可用來進行復(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主機和MMC接口以及大量通用I/O口，可以滿足設(shè)計需求。

4.2.2 電機驅(qū)動控制模塊

電機驅(qū)動控制模塊采用ARM7和FPGA控制芯片，對外的通訊方式有多種，可以滿足不同的控制方式。其中直流電機的控制部分采用PID算法，可以實時控制電機的轉(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模塊包括紅外無源標簽和紅外發(fā)射接收器兩部分，是專為家庭服務(wù)機器人設(shè)計的內(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源標簽進行反射以后被StarGazer系統(tǒng)的紅外接收器接收到，從而完成對助老機器人的實時定位的任務(wù)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能助老機器人系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計包括機載計算機軟件系統(tǒng)設(shè)計與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計兩大部分，機載計算機是指安裝在助老機器人上面的PC工控機，預(yù)裝Windows XP嵌入式操作系統(tǒng)，用來運行用戶自主開發(fā)的應(yīng)用程序。機載計算機軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腃++編程語言，基于Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)，控制系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，兩者之間采用基于TCP/IP協(xié)議進行通信。

6 結(jié)束語

隨著科技與服務(wù)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，助老機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可行的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用開發(fā)與市場前景。本文研究的這種基于星空定位的助老服務(wù)機器人系統(tǒng)，較好地解決了自主移動式機器人的定位導(dǎo)航問題，能夠進行穩(wěn)定的行走、物體識別、語音人機交互及抓取物體等功能，可以輔助老人進行日程的生活自理。

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