基于模塊化設(shè)計(jì)的養(yǎng)老機(jī)器人

張 坤 ，饒穎卿 ，張明一 ，曾海峰 ，馬 兵

（1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.縱科（武漢）信息技術(shù)有限公司湖北武漢430074）

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的第六次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)60歲及以上人口占13.26%，其中65歲及以上人口占8.87%，人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)峻。在人口老齡化的背景下，集護(hù)老、助老多項(xiàng)功能于一體的養(yǎng)老機(jī)器人是社會(huì)生活所迫切需要的[1]。

在助老助殘、家用服務(wù)機(jī)器人方面，日美韓德等國(guó)處于領(lǐng)先地位，如日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的老年陪護(hù)機(jī)器人“帕羅”、美國(guó)iRobot公司的Roomba系列吸塵器機(jī)器人等[2]。國(guó)內(nèi)服務(wù)類(lèi)機(jī)器人中具有代表性的是科沃斯電氣有限公司的掃地機(jī)器人。掃地機(jī)器人可以自主規(guī)劃路徑，完成清掃任務(wù)[3]。杭州市社會(huì)福利中心的“阿鐵”老年服務(wù)機(jī)器人可以陪老人聊天、提醒老人按時(shí)服藥[4]。但這些養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人的功能相對(duì)單一，無(wú)法滿足老人的諸多需求。

基于模塊化設(shè)計(jì)的養(yǎng)老機(jī)器人可滿足老年人的多種需求，并能根據(jù)不同用戶的需求搭載不同服務(wù)模塊。

1 機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)架

1.1 功能模塊設(shè)計(jì)

1）控制模塊：采用STM32作為養(yǎng)老機(jī)器人的控制芯片。

2）驅(qū)動(dòng)模塊：采用4個(gè)DC12V直流電機(jī)，選擇L298N作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝碼盤(pán)，通過(guò)紅外光電計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)測(cè)速。

3）電源模塊：選用18節(jié)3 400 mAh的大容量18 650鋰電池以“六串三并”方式輸出24 V直流電壓，為老年養(yǎng)老機(jī)器人提供能量。

4）通信模塊：選用可編程無(wú)線路由器GL-INET傳輸數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

1.2 機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)整體架構(gòu)

養(yǎng)老機(jī)器人的開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用上下兩層結(jié)構(gòu)。上層放置控制單元STM32核心板、5 V穩(wěn)壓模塊和無(wú)線路由器GL-INET。下層放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N、鋰電池組和6路超聲波測(cè)距傳感器[5]。

一個(gè)L298N模塊可以輸出兩路PWM脈沖，機(jī)器人采用兩個(gè)L298N模塊來(lái)控制4個(gè)直流電機(jī)。智能車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的正前方、左前方、右前方、左右兩側(cè)和后面分別安裝超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04，探測(cè)周?chē)h(huán)境信息以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。鋰電池組24 V電壓經(jīng)過(guò)5 V穩(wěn)壓模塊后輸出給STM32控制芯片，STM32核心板的5 V電源為路由器供電。

2 自動(dòng)避障系統(tǒng)

2.1 環(huán)境信息獲取模塊

超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量[6]。超聲波測(cè)距傳感器發(fā)射超聲波，記發(fā)射初始時(shí)刻為t1，遇到障礙物后返回，接收端接收到返回的超聲波時(shí)為接收時(shí)刻t2，由發(fā)射到接收所用時(shí)間計(jì)算出巡檢機(jī)器人到障礙物的距離S。

v為超聲波在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣溫為15℃時(shí)的傳播速度，取值為340 m/s。

養(yǎng)老機(jī)器人的左前方、正前方、右前方、左右兩側(cè)和后面分別安裝一個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，探測(cè)距離為2～450 cm，精度為3mm，滿足室內(nèi)避障的精度要求。超聲波測(cè)距傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距傳感器安裝位置圖

2.2 避障控制單元

超聲波測(cè)距傳感器采用I/O觸發(fā)測(cè)距方式，核心控制芯片STM32給TRIG引腳一個(gè)10微秒的高電平信號(hào)，超聲波測(cè)距傳感器發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波。此時(shí)開(kāi)啟中斷計(jì)時(shí)器TIM4，當(dāng)接收到回波信號(hào)后關(guān)閉中斷計(jì)時(shí)器TIM4。中斷計(jì)時(shí)器開(kāi)啟時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到接收所用時(shí)間，從而計(jì)算出障礙物到機(jī)器人的距離。STM32依次調(diào)用正前方、左前方、右前方、左側(cè)、右側(cè)和后面的超聲波測(cè)距傳感器，測(cè)量機(jī)器人周?chē)?個(gè)方位的環(huán)境信息，綜合6個(gè)方位的環(huán)境信息控制機(jī)器人自動(dòng)避開(kāi)障礙物[7]。

2.3 自動(dòng)避障算法

自動(dòng)避障系統(tǒng)通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器

獲得機(jī)器人周邊環(huán)境信息后，依據(jù)機(jī)器人到障礙物的距離來(lái)劃分障礙物優(yōu)先級(jí)。距離越近，避障優(yōu)先級(jí)越高，機(jī)器人優(yōu)先躲避級(jí)別高的障礙物[8]。正常情況下，機(jī)器人靠右行駛。遇到障礙物后，從障礙物左側(cè)順時(shí)針沿障礙物運(yùn)動(dòng)，到達(dá)前方后結(jié)束避障操作。若從左側(cè)無(wú)法繞過(guò)障礙物，機(jī)器人則嘗試從障礙物右側(cè)逆時(shí)針?lè)较蚶@過(guò)障礙物[9]。

養(yǎng)老機(jī)器人選用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。定義如下5個(gè)物理量：前方安全距離、側(cè)面安全距離、前方轉(zhuǎn)向臨界距離、側(cè)面轉(zhuǎn)向臨界距離和危險(xiǎn)距離。當(dāng)機(jī)器人到障礙物的距離小于“前方安全距離”或“側(cè)面安全距離”時(shí)需要轉(zhuǎn)向，距離大于“前方轉(zhuǎn)向臨界距離”和“側(cè)面轉(zhuǎn)向臨界距離”方可安全轉(zhuǎn)向，機(jī)器人任一部位到障礙物的距離均小于“危險(xiǎn)距離”時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和場(chǎng)地條件，適當(dāng)為上述5個(gè)物理量取值。養(yǎng)老機(jī)器人設(shè)定的“前方安全距離”為15 cm，“側(cè)面安全距離”為4 cm，“前方轉(zhuǎn)向臨界距離”為10 cm，“側(cè)面轉(zhuǎn)向臨界距離”為6 cm，“危險(xiǎn)距離”為3 cm。自動(dòng)避障算法流程圖如圖2所示。

3 遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控視頻傳輸系統(tǒng)

3.1 通信系統(tǒng)原理與方案

機(jī)器人選擇無(wú)線路由器GL-INET作為中繼，電腦與無(wú)線路由器GL-INET之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，無(wú)線路由器GL-INET與STM32控制芯片之間通過(guò)串口通信。通信系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖2 自動(dòng)避障算法流程圖

圖3 通信系統(tǒng)原理圖

3.1.1 TCP/IP通信方案

機(jī)器人采用LABVIEW軟件構(gòu)建TCP/IP通信系統(tǒng)，電腦作為T(mén)CP通信客戶端，無(wú)線路由器GL-INET作為T(mén)CP通信服務(wù)器，服務(wù)器與客戶端處于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。服務(wù)器一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，客戶端按照TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器建立聯(lián)系，發(fā)送控制指令[10]。

3.1.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)處理

機(jī)器人的部分功能，如實(shí)時(shí)繪制室內(nèi)地圖等功能對(duì)處理器要求很高，因此采用的方案為依靠電腦完成對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，并將最終結(jié)果返回給機(jī)器人。無(wú)線路由器GL-INET安裝在機(jī)器人上，機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線路由器傳遞給電腦，電腦對(duì)數(shù)據(jù)處理完畢后返回控制指令。

3.1.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)指令集為：“W”前進(jìn)，“A”左轉(zhuǎn)，“D”右轉(zhuǎn)，“S”后退，“X”停止。

根據(jù)TCP/IP協(xié)議，客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)必須先告知服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。客戶端發(fā)送字符‘A’時(shí)，服務(wù)器將收到字符串“1A”。在串口傳輸中，數(shù)據(jù)以ASCII碼的格式傳輸，STM32單片機(jī)接收到的字符串“1A”的ASCII碼，即“0x3141”。當(dāng)單片機(jī)接收到“0x3141”時(shí)執(zhí)行左轉(zhuǎn)命令。養(yǎng)老機(jī)器人可根據(jù)需求擴(kuò)展控制指令集。

3.2 視頻傳輸系統(tǒng)

養(yǎng)老機(jī)器人選用自動(dòng)對(duì)焦的1080P高清攝像頭采集監(jiān)控畫(huà)面，經(jīng)過(guò)無(wú)線路由器發(fā)送至LABVIEW軟件制作的視頻監(jiān)控系統(tǒng)界面，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)室內(nèi)情況的監(jiān)控。

4 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)以及GSM模塊

4.1 語(yǔ)音模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別電路采用LD3320芯片，通過(guò)1 kΩ上拉電阻與STM32單片機(jī)I/O連接?？刂埔_RDB，CSB和復(fù)位引腳RSTB和中斷返回引腳INTB通過(guò)10 kΩ上拉電阻與STM32單片機(jī)I/O連接，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。為穩(wěn)定麥克風(fēng)的電壓，采用了RC濾波電路，并在MBS引腳加了偏置。

LD3320芯片內(nèi)部?jī)?nèi)置16位A／D轉(zhuǎn)換器、16位D/A轉(zhuǎn)換器和功放電路，支持并行和串行接口，麥克風(fēng)可以直接與芯片管腳連接，完成語(yǔ)音采集和識(shí)別功能，通過(guò)ICRoute公司嵌入LD3320內(nèi)的優(yōu)化算法，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音，即可完成非特定人語(yǔ)音識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率為95%[11]。

為了進(jìn)一步提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，將需要識(shí)別的詞匯存儲(chǔ)在LD3320的識(shí)別詞匯庫(kù)內(nèi)。當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別芯片接收到語(yǔ)音信息后，首先與詞匯庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，若與詞匯庫(kù)內(nèi)的詞匯相匹配則將識(shí)別結(jié)果通過(guò)串口傳遞給STM32控制芯片，執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，否則不執(zhí)行操作[12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此方案的識(shí)別準(zhǔn)確率在99%以上。

4.2 GSM模塊

4.2.1 概述

GSM系統(tǒng)有幾項(xiàng)重要特點(diǎn)：號(hào)碼資源豐富、通話清晰、穩(wěn)定性強(qiáng)不易受干擾、通話死角少、手機(jī)耗電量低等[13]?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，采用GSM作為養(yǎng)老機(jī)器人的通信模塊。

4.2.2 GSM模塊的設(shè)計(jì)

養(yǎng)老機(jī)器人選用SIMCOM公司的SIM800作為通信模塊。SIM800模塊可支持4頻GSM/GPRS，采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在休眠模式下耗電流低至1.0毫安。具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，可以提供GSM語(yǔ)音、短消息等業(yè)務(wù)。GSM模塊工作流程如圖4所示。

圖4 GSM模塊工作流程圖

若外界發(fā)生火災(zāi)、出現(xiàn)求救信號(hào)，機(jī)器人主控芯片處理后將通過(guò)串口給SIM800模塊發(fā)送AT指令即可實(shí)現(xiàn)打電話和發(fā)短信的功能。

5 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

火災(zāi)報(bào)警信息采集系統(tǒng)由多個(gè)傳感器協(xié)同完成，確?；馂?zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確度?；馂?zāi)信息采集裝置包括溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱鸵谎趸紓鞲衅鳌?/p>

分別設(shè)定溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱鸵谎趸紓鞲衅鞯膱?bào)警閾值，若兩個(gè)或3個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)都超過(guò)報(bào)警閾值，機(jī)器人通過(guò)GSM模塊向老人或指定手機(jī)號(hào)發(fā)送報(bào)警信號(hào)[14]，同時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片便于判斷火情的嚴(yán)重程度；若僅有一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值，機(jī)器人拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片發(fā)送給老人或指定手機(jī)，請(qǐng)求人工判斷?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)原理圖

6 自動(dòng)充電系統(tǒng)

6.1 欠電識(shí)別

養(yǎng)老機(jī)器人選用HT70XX系列的HT7070芯片用于電壓檢測(cè)。將電壓閾值設(shè)定為18 V，由于HT7070能檢測(cè)的最大電壓為7 V，因此對(duì)其采用分壓法進(jìn)行檢測(cè)。在系統(tǒng)電壓低于18 V后，機(jī)器人開(kāi)始規(guī)劃路徑尋找充電樁進(jìn)行充電。

6.2 路徑規(guī)劃

6.2.1 室內(nèi)地圖的繪制

目前室內(nèi)定位大多基于信號(hào)衰減原理，由室內(nèi)固定信號(hào)源向機(jī)器人發(fā)射信號(hào)，機(jī)器人接收到3個(gè)信號(hào)源的信號(hào)即可確定機(jī)器人的位置。確定位置后，機(jī)器人遍歷各房間即可完成室內(nèi)地圖的繪制。常見(jiàn)的發(fā)射信號(hào)有超聲波、藍(lán)牙、超帶寬（UWB）。但這些信號(hào)在穿透墻體和空氣時(shí)的衰減特性不同，若信號(hào)源與機(jī)器人中間有墻體阻隔，會(huì)出現(xiàn)很大的定位誤差，不適用于有多個(gè)房間的家庭住宅，常用于倉(cāng)庫(kù)等大型空曠場(chǎng)所。為克服此問(wèn)題，養(yǎng)老機(jī)器人采用慣性傳感器繪制室內(nèi)地圖。繪制室內(nèi)地圖過(guò)程如圖6所示。

將充電樁所在位置作為繪制地圖的基準(zhǔn)點(diǎn)，機(jī)器人從充電樁出發(fā)，沿墻繞各房間一周。機(jī)器人上安裝的里程計(jì)和角度計(jì)記錄機(jī)器人行走路徑，繪制出室內(nèi)地圖[15]。

6.2.2 機(jī)器人識(shí)別自身位置

機(jī)器人根據(jù)里程計(jì)和角度計(jì)的數(shù)據(jù)判斷自身和充電樁的相對(duì)位置[16]。由于里程計(jì)和角度計(jì)存在累積誤差，故機(jī)器人每次回到充電樁后將里程和角度置零，有效控制誤差。

圖6 繪制室內(nèi)地圖示意圖

6.2.3 機(jī)器人與充電樁對(duì)接

為避免機(jī)器人運(yùn)動(dòng)對(duì)老人行走的干擾，充電時(shí)機(jī)器人沿墻體向充電樁運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人跟據(jù)自身與充電樁的相對(duì)位置，由最短路徑優(yōu)先原則判斷按照順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜓貕w運(yùn)動(dòng)至充電樁附近[17]。到達(dá)充電樁附近后，通過(guò)多組超聲波測(cè)距傳感器，與充電樁對(duì)準(zhǔn)。

6.3 充電樁設(shè)計(jì)

常規(guī)充電插孔的孔徑很小，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確度要求過(guò)高。研究發(fā)現(xiàn)采用長(zhǎng)條槽狀孔，方便機(jī)器人與充電樁結(jié)合。充電樁長(zhǎng)條槽狀孔的高度與機(jī)器人插頭的高度一致，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入充電區(qū)后，機(jī)器人插頭插入充電槽任意一段均可進(jìn)行充電。當(dāng)機(jī)器人電池電壓到達(dá)24 V后，充電完成，機(jī)器人自動(dòng)離開(kāi)充電樁。充電樁示意圖如圖7所示。

圖7 充電樁示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

養(yǎng)老機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音識(shí)別、火災(zāi)報(bào)警以及自動(dòng)充電等功能。該機(jī)器人經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，為老年人的生活提供方便，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)推廣價(jià)值。同時(shí)，這些設(shè)計(jì)對(duì)養(yǎng)老機(jī)器人相關(guān)問(wèn)題的解決提供了可借鑒的方法。機(jī)器人還可以與社區(qū)服務(wù)結(jié)合，社區(qū)服務(wù)人員通過(guò)養(yǎng)老機(jī)器人獲取老人的信息，與機(jī)器人配合，提供更好的服務(wù)。

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