移动式家庭服务机器人设计

[]家庭服务机器人是面向家庭的服务型机器人其主要功能是在家中进行自动巡逻环境安全监测并支持控制对行动不便的人（如老年人、[]家庭服务；安全；自动导航；控DesignofaHouseholdEscortAhouseholdrobotisfamilyorientedescortservicerobot,whichcanmonitoringautomatically,suchastestingenvironmentsecurityandmonitorthesurrounding.Inaddition,itcanbecontrolledremoy.Itcancaresomepeoplewhoisdisabledoraged,andobservetheirsituation.Moreover,therobotcancompletesometaskthroughvoicerecognitionandimagerecognition.Forexample,itcancarrysomethingfromheretosomewherewherehostassigns.Soitwillprovideconvenienceforothers.Whatelse,itscommunicationmodulewillbetriggeredifsomethingdangeroushappenedinthehouse.Therobotcanbecontrolledsimilarlytotheautomatedguidedvehicle(AGV)inconsiderationofthestructurehouse.Anditcanbeassembledsomenecessaryactuator,suchastherobotarms.Thispaperprovidesthehouseholdrobots’designschemeandtheactualsoftwareprogramming.Thenbuildarobotcontrolplatformtocontrolthehouseholdrobot.:household;servicerobot;testingenvironmentsecurity;automaticnavigation;remotecontrol绪 引 设计背景，意 研究现 总体方 结构方 机器人执行件的选 机器人三维模 控制方 硬件系 机器人底盘电气系统设 机器人驱动电机设 下位机微处理器及传感器的选 下位机微处理器陀螺仪/加速度传感 GSM通讯模 环境传感 上位机软件开发环境的选 无线数据传输方案的选 NRF24L01无线传输模 串口转WiFi模 软件部分设 下位机软件设 电机驱动、测 陀螺仪/加速度传感器的驱 传感器控制逻 上位机部分软件设 LabVIEW主程序设 4.2.2头路径信息并进行循迹运 物体的识别与机器人运动路径规划 数据通讯协 家庭服务机器人样机介 结 致 参考文 绪人口化是社会发展的必然结果，也是社会进步的象征，但同时也给社会带来合格的父母和孝顺的，是比较的。同时中华民族尊老敬老的传统文化又使绝大多数在道德和情感上难以接受使家庭亲情弱化了的“社会养老。技术，如导航技术、机器视觉探测技术、机械控制等。但是考虑到对于老年项研究也非常重视（863总体有足够高的头安装位置以获得完整人的图像；此外，机器人底盘不宜太宽，的尺寸应满足具有足够高的头安装位置和行驶稳定性；此外，机器人的续航1-1DC另外一种常用的机器人底盘结构方案是采电机驱动两个驱动轮并在底盘的前端或者前后两端安置用于支撑的从动轮（或万向轮2-1图2- 头云2-3可扩展能力强，成本低、易于的特点。具有灵活性高和扩展性强的特点这使人们能利用这块小小的实现各种新颖继电器等，以及驱动并相关传感器的信息（如超声波传感器、电机编由于需要进行彩像处理以及复杂的运动控制算法运算并且对计算机的硬件要求较高，本作品上位机硬件系统采用的是个人电脑。而软件部分则以国家仪器（NI）LabVIEW关数据，例如实时的图像数据，以及机器人底盘系统中各传感器的数据2-4硬件3-13-1轮距(𝐵1=130% （3-

=

−

−

−

=𝑛𝑇𝑡−𝐶𝐷𝐴𝑢2−𝐺𝑠𝑖𝑛𝛼−𝛿𝑚

（3-

𝐺sinα=𝑛𝑇𝑡− （3-其中，αfTt－电动机输出轴转矩（N∙mn

=

（3-路面滚动阻力系数𝑓=0.018，α=30°，𝑟𝑡=0.075m,n=2(𝐺𝑓𝑐𝑜𝑠α+𝐺sinα)𝑟𝑡𝑇𝑡=

(9.8×20×0.018×cos30°+9.8×20×sin30°)×2=4.08N∙综上所述，要求选用的电机输出轴转矩𝑇𝑡≥4.08Nm根据机器人最高行驶速度计算电机输出轴转速已知机器人设计最高行驶速度𝑣𝑚𝑎𝑥=1𝑘𝑚/𝑠=0.28𝑚/𝑠，根据驱动轮转速𝑣𝑚𝑎𝑥=𝑟𝜔= （3-𝑛=𝑣𝑚𝑎𝑥

（3-解得，𝑛𝑡=0.59r/s=

3-2545DC12V-3000-选择电机表3-3545电机配 比455图3-1直流电机以及配套由上述计算可知，电机输出轴转速以及转矩要求：𝑛𝑡≥35.4𝑟/𝑚𝑖𝑛，𝑇𝑡≥4.08Nm已知齿轮传动效率𝜂0=0.99，求出各器输出轴扭矩与转速𝑇𝑡90=90𝑇𝑡𝑞𝜂𝑡=90×0.064×0.994=5.53𝑁. （3-𝑇𝑡131=131𝑇𝑡𝑞𝜂𝑡=131×0.064×0.995=7.97𝑁. （3-𝑇𝑡168=168𝑇𝑡𝑞𝜂𝑡=168×0.064×0.995=10.22𝑁.𝑚（3- =𝑛0=5600= （3- =𝑛0=5600= （3-

=𝑛0=5600= （3- 其中，𝑇𝑡𝑞—电机输出转矩𝑛0—电机输出转速有计算结果可知，选用比为131的器更接近于设计要求螺仪/加速度计、GSM下位机微处理器3-2STM32STM32F103xxARMCortex™-M3功耗低，处理速度快。72MHz36212ADC4UART、18SPI，18MHzI/O丰富的程序、应用资源。ST公司为其精心设计了一套硬件驱动库函数，用并且由于库的完整性高，使民间用户之间的程序移植变得更加简单，程序也3-3陀螺仪/加速度传感器采用InvenSense的MPU6050六轴陀螺仪传感器，通过与单片机的IIC通讯可以直接传感器测量的三轴加速度值与三轴MPU6050还具有异于传统陀螺仪传感器的优点：其内部集成了Digital（DMP，GSM该模块选用了西门子TC35GSM开发板作 通信模块。其兼RS232串口通讯模式,可以连接PC或者单片机,通过发送特定的指令,使其发送短信或者拨打。GSM通信模块主要用于出现特殊事态时机器人向监护人发送警告信输以及LabVIEWWebserver手动控制[8]，即可观察当时机器人所的环环境传感3-4通过安装各类环境安全传感器，使机器人拥有环境安全性判断能力。MQ-5烟雾/火焰传感器，用于环境内烟雾浓度，发出火灾警报3-5家庭服务机器人的上位机的硬件系统采用的是个人电脑，而软件部分基于LabVIEWLabVIEW是一种程序开发环境，由国家仪器（NI）公司研制开发[]。但它不同于CBASICLabVIEWG发难度，缩短开发时间[0]。3-6LabVIEWLabVIEWLabVIEW控制。数据交换则需要依靠一定的通讯才能完成。PC动的，故不能直接采用有线串口通讯的方式。NRF24L01PC计算机上的串口通讯接口是RS232形式而微控制器的通讯信号为TTL电平形式因此进行PC与单片机之间的数据交换则需要有一个电平转换机制，RS232NRF24L01模块特点：该模块是工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无TTLRS-232模块使单片机与PC其在单片机端采用TTL接口形式连接，而在PC端则采用RS232接口形式连PC，缺点：该模块是以半双工形式进行数据交换的单片机的数据的实时任务。且数据传输效率较低，错误率高。，WiFi串口转WiFi模块是新一代嵌入式WiFi模块，体积小，功耗低。采用UARTIEEE802.11TCP/IP该模块的使用方法与其它模块有所不同，其相当于在PC和单片机之间插入一个信息中转站，单片机通过普通的TTL串口形式向中转站接收或发送数据；而PC则连接上WiFi模块发射的WiFi信号，使其连到模块所创建的局域网内，通过TCP/IP协议向模块发送数据，到信息中转站内，或往中转站内取出单片PCNRF24L01WiFi块数据传输稳定，效率高；且由于机器人的图像是通过WiFi模块将数据返WiFi软件部分设电机的驱动电路采用H4-14-1H信号进行触发另外驱动电路还会有一个信号输入接口用于调节电机转速光电编测量电机转光电编测速原理[11]：光电编，是一种通过光电转换将输出轴上的机光电编是由光栅盘和光电感应组成。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋输出若干脉冲信号通过计算每秒光电编输出脉冲的个数就能反映当前电动图4-2光电编原如图4-2光电编测速原理当电机旋转时编单元产生的脉冲信号。STM32 𝑟=

（4-131。图4-3光电编输出脉式，这款集成了一个陀螺仪传感器和一个加速度传感器。如图4-4所示，陀4-4如图4-5为模块电路图，与单片机IIC连接的是J2CON2中的SDA（数据线）和SCL（时钟线；而模块提供IIC总线挂载接口，即J1CON1中的XCL角的误差值（绕z轴旋转的角度而该模IIC通讯地址由J1CON1中的AD0所决定AD0输入为高电平时设备的地址为0x69，当AD0输入为低电平时，设备的地址为0x68。如下图可看出，AD0口外接了一个下拉电阻，即在AD0引脚图4-5MPU6050电路模块数据及运单片机可以通过IIC总线向运动中的MPU6050模块三轴轴向加速度以4-6块上的X,Y轴与世界坐标系中的z轴（竖直方向）之间的夹角，加速度计计算夹块X𝑎𝑥其中，G

=arcsin （4-Y𝜃𝑦=∫𝜔𝑦𝑑𝑡 其中，𝜔𝑦—绕Y轴旋转时的瞬时角速度𝜃=a×(𝜃+𝜔𝐺×dt)+(1−a)×𝜃𝐴 a—𝜔𝐺𝜃𝐴dtdta

（4-X,Y积分运算计算出绕Z轴的转角（Z轴的转角无法依靠加速度传感器进行滤波，需据进行进一步更新处理而得出MPU6050模块内置DMP可直接在其内部进行算𝑄=𝑞0+𝑞1𝑖+𝑞2𝑗+𝑞3𝑘 求。例如原坐标系上的点（𝑥0,𝑦0,𝑧0，原坐标分别绕其z-y-z轴旋转一定的角度ᴪ,θ,φ角度到新的坐标系，此时该点在新的坐标系中的位置是（𝑥1,𝑦1,𝑧1） 0|𝑦1|=𝐶𝑟 （4-0

（4-（4-其中（𝑥′,𝑦𝑧′）—旋转后点在新的坐标系中的位置；λ,𝑃1,𝑃2,𝑃3—四元数对于世界坐标系𝑋′4-7促使机器人通过GSM模块向监护人发出信息，并持续产生警报声。其工作过图4-8安全传感器控制逻辑LabVIEWLabVIEW4-9LabVIEW枢纽，提供多种数据以及控制接口以供其它程序。头路径信息并进行循迹运4-104-104-11信息提取效果图：4-114-12物体的识别与是对彩像的像素进行HSL分割，以提取黄色乒乓球的颜色特点，更好地在复4-134-13H10-30255器人的距离与位置关系。小球的活动如下框图所示：图4-14机器人物体控制流程机器人运动路径规划上位机接收到当前机器人的坐标位置数便可以在LabVIEW程序内计算出上下位机的通讯中下位机（单片机）采用UART串口通讯，与串口转TCP/IPWiFi所谓上下位机之间的通讯协议是基于UARTTCP/IP使传输的数据结构化、标准化，提高可读性和可性4-15如图4-15为上位机发送给下位机的控制指令，其由包头、包尾和相应的硬件控制指令字节组成。由于串口传输的数据是以8位（1字节）为一个单元，每0~255（无符号，或者为-128~127（有符号）[15]。舵机的转角与其输入的波形的关系如下：图4-16舵机转角与其输入的信号的关根据图4-16所示，舵机转角所对应的输入的波形的占空比范围为𝐷𝑢𝑡𝑦−90°=0.5÷20×100%= （4-𝐷𝑢𝑡𝑦90°=2.5÷20×100%= （4-信号的占空比范围为25~12550Hz0~255，25~12510并直接赋值给信输出的占空比控制接口，即可完对舵机的控制。，指令128~1274-17如图4-17为下位机向上位机传输的相关数据格式，这些数据有些是由下位形转换为物的距离，或者由下位机运行某些算法进行数据处理，得出有效8空间较大，便将其于一个16位的变量内，在向上位机发送数据的时候将这164-18LabVIEW如图4-19所示，本作品底盘驱动系统采用轮式驱动，两个电机经过器分放置单片机控制器以及WiFi模块，电机驱动器、WiFi模块和各种传感器与单片机的连接采用的信号线进行连接。机器人顶部还对机械的安装预留了一定的空间。4-19结2、成功移植MPU6050的DMP驱动模块到STM32，并将程序融合到下位机的软件控制中，通过DMP输出的四元数数据，成功对机器人进行姿态解算，并初步3、通过电机编结合陀螺仪的方式，参照捷联式惯性导航的原理，成功4、利用LabVIEW内置的视觉处理模块，对机器人的彩色头到的图1、MPU6050低，需要更换更好的头以更好的进行图像识别处理；45机器人需要安装机 并实现自动抓取以符合其家庭服务的定位致此次毕业设计使我对于电子以及自动控制有了新的认识在利用单片机以及LabVIEW平台开发作品的同时，感受到了电控技术的无限可能，人们能LabVIEW参考文赵广路.“ET[J].机器人技术与应用,2012,(02):1-江小青.[D].中国,2006.3-孟田华.一种家庭安保机器人支撑系统的设计[D].东南大学,2012.1-江欣.买个机器人照顾父母[N].科技报,2009-05-侯锐；曹宏；刘加.老年陪护机器人系统的设计与实现[J].电声技术AudioEngineering,2011,(05):1-Xing,Wu;Peihuang,Lou;