基于模塊化設計的養老機器人

張 坤 ，饒穎卿 ，張明一 ，曾海峰 ，馬 兵

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

國家統計局公布的第六次人口普查數據顯示，我國60歲及以上人口占13.26%，其中65歲及以上人口占8.87%，人口老齡化問題日益嚴峻。在人口老齡化的背景下，集護老、助老多項功能于一體的養老機器人是社會生活所迫切需要的[1]。

在助老助殘、家用服務機器人方面，日美韓德等國處于領先地位，如日本產業技術綜合研究所的老年陪護機器人“帕羅”、美國iRobot公司的Roomba系列吸塵器機器人等[2]。國內服務類機器人中具有代表性的是科沃斯電氣有限公司的掃地機器人。掃地機器人可以自主規劃路徑，完成清掃任務[3]。杭州市社會福利中心的“阿鐵”老年服務機器人可以陪老人聊天、提醒老人按時服藥[4]。但這些養老服務機器人的功能相對單一，無法滿足老人的諸多需求。

基于模塊化設計的養老機器人可滿足老年人的多種需求，并能根據不同用戶的需求搭載不同服務模塊。

1 機器人開發平臺構架

1.1 功能模塊設計

1）控制模塊：采用STM32作為養老機器人的控制芯片。

2）驅動模塊：采用4個DC12V直流電機，選擇L298N作為電機的驅動芯片。在電機轉軸上安裝碼盤，通過紅外光電計數器實現測速。

3）電源模塊：選用18節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，為老年養老機器人提供能量。

4）通信模塊：選用可編程無線路由器GL-INET傳輸數據，以實現對機器人的遠程控制。

1.2 機器人開發平臺整體架構

養老機器人的開發平臺采用上下兩層結構。上層放置控制單元STM32核心板、5 V穩壓模塊和無線路由器GL-INET。下層放置電機驅動模塊L298N、鋰電池組和6路超聲波測距傳感器[5]。

一個L298N模塊可以輸出兩路PWM脈沖，機器人采用兩個L298N模塊來控制4個直流電機。智能車開發平臺的正前方、左前方、右前方、左右兩側和后面分別安裝超聲波測距傳感器HC-SR04，探測周圍環境信息以實現自動避障功能。鋰電池組24 V電壓經過5 V穩壓模塊后輸出給STM32控制芯片，STM32核心板的5 V電源為路由器供電。

2 自動避障系統

2.1 環境信息獲取模塊

超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量[6]。超聲波測距傳感器發射超聲波，記發射初始時刻為t1，遇到障礙物后返回，接收端接收到返回的超聲波時為接收時刻t2，由發射到接收所用時間計算出巡檢機器人到障礙物的距離S。

v為超聲波在一個標準大氣壓，氣溫為15℃時的傳播速度，取值為340 m/s。

養老機器人的左前方、正前方、右前方、左右兩側和后面分別安裝一個超聲波測距傳感器，探測距離為2～450 cm，精度為3mm，滿足室內避障的精度要求。超聲波測距傳感器安裝位置如圖1所示。

圖1 超聲波測距傳感器安裝位置圖

2.2 避障控制單元

超聲波測距傳感器采用I/O觸發測距方式，核心控制芯片STM32給TRIG引腳一個10微秒的高電平信號，超聲波測距傳感器發送8個40 kHz的方波。此時開啟中斷計時器TIM4，當接收到回波信號后關閉中斷計時器TIM4。中斷計時器開啟時間即為超聲波從發射到接收所用時間，從而計算出障礙物到機器人的距離。STM32依次調用正前方、左前方、右前方、左側、右側和后面的超聲波測距傳感器，測量機器人周圍6個方位的環境信息，綜合6個方位的環境信息控制機器人自動避開障礙物[7]。

2.3 自動避障算法

自動避障系統通過超聲波測距傳感器

獲得機器人周邊環境信息后，依據機器人到障礙物的距離來劃分障礙物優先級。距離越近，避障優先級越高，機器人優先躲避級別高的障礙物[8]。正常情況下，機器人靠右行駛。遇到障礙物后，從障礙物左側順時針沿障礙物運動，到達前方后結束避障操作。若從左側無法繞過障礙物，機器人則嘗試從障礙物右側逆時針方向繞過障礙物[9]。

養老機器人選用模糊控制算法實現自動避障。定義如下5個物理量：前方安全距離、側面安全距離、前方轉向臨界距離、側面轉向臨界距離和危險距離。當機器人到障礙物的距離小于“前方安全距離”或“側面安全距離”時需要轉向，距離大于“前方轉向臨界距離”和“側面轉向臨界距離”方可安全轉向，機器人任一部位到障礙物的距離均小于“危險距離”時停止運動。

根據機器人運動速度和場地條件，適當為上述5個物理量取值。養老機器人設定的“前方安全距離”為15 cm，“側面安全距離”為4 cm，“前方轉向臨界距離”為10 cm，“側面轉向臨界距離”為6 cm，“危險距離”為3 cm。自動避障算法流程圖如圖2所示。

3 遠程控制與監控視頻傳輸系統

3.1 通信系統原理與方案

機器人選擇無線路由器GL-INET作為中繼，電腦與無線路由器GL-INET之間采用TCP/IP協議進行通信，無線路由器GL-INET與STM32控制芯片之間通過串口通信。通信系統原理如圖3所示。

圖2 自動避障算法流程圖

圖3 通信系統原理圖

3.1.1 TCP/IP通信方案

機器人采用LABVIEW軟件構建TCP/IP通信系統，電腦作為TCP通信客戶端，無線路由器GL-INET作為TCP通信服務器，服務器與客戶端處于同一網絡環境下。服務器一直處于監聽狀態，客戶端按照TCP/IP協議與服務器建立聯系，發送控制指令[10]。

3.1.2 后臺數據處理

機器人的部分功能，如實時繪制室內地圖等功能對處理器要求很高，因此采用的方案為依靠電腦完成對大量數據的存儲和處理，并將最終結果返回給機器人。無線路由器GL-INET安裝在機器人上，機器人傳感器數據通過無線路由器傳遞給電腦，電腦對數據處理完畢后返回控制指令。

3.1.3 機器人控制系統

機器人控制系統指令集為：“W”前進，“A”左轉，“D”右轉，“S”后退，“X”停止。

根據TCP/IP協議，客戶端向服務器發送數據時必須先告知服務器發送數據的長度?？蛻舳税l送字符‘A’時，服務器將收到字符串“1A”。在串口傳輸中，數據以ASCII碼的格式傳輸，STM32單片機接收到的字符串“1A”的ASCII碼，即“0x3141”。當單片機接收到“0x3141”時執行左轉命令。養老機器人可根據需求擴展控制指令集。

3.2 視頻傳輸系統

養老機器人選用自動對焦的1080P高清攝像頭采集監控畫面，經過無線路由器發送至LABVIEW軟件制作的視頻監控系統界面，實現機器人對室內情況的監控。

4 語音識別系統以及GSM模塊

4.1 語音模塊系統設計

語音識別電路采用LD3320芯片，通過1 kΩ上拉電阻與STM32單片機I/O連接?？刂埔_RDB，CSB和復位引腳RSTB和中斷返回引腳INTB通過10 kΩ上拉電阻與STM32單片機I/O連接，保證系統的穩定工作。為穩定麥克風的電壓，采用了RC濾波電路，并在MBS引腳加了偏置。

LD3320芯片內部內置16位A／D轉換器、16位D/A轉換器和功放電路，支持并行和串行接口，麥克風可以直接與芯片管腳連接，完成語音采集和識別功能，通過ICRoute公司嵌入LD3320內的優化算法，不需要用戶事先訓練和錄音，即可完成非特定人語音識別，識別準確率為95%[11]。

為了進一步提高識別的準確率，將需要識別的詞匯存儲在LD3320的識別詞匯庫內。當語音識別芯片接收到語音信息后，首先與詞匯庫進行比對，若與詞匯庫內的詞匯相匹配則將識別結果通過串口傳遞給STM32控制芯片，執行對應操作，否則不執行操作[12]。實驗結果顯示，此方案的識別準確率在99%以上。

4.2 GSM模塊

4.2.1 概述

GSM系統有幾項重要特點：號碼資源豐富、通話清晰、穩定性強不易受干擾、通話死角少、手機耗電量低等[13]。基于這些優點，采用GSM作為養老機器人的通信模塊。

4.2.2 GSM模塊的設計

養老機器人選用SIMCOM公司的SIM800作為通信模塊。SIM800模塊可支持4頻GSM/GPRS，采用省電技術設計，在休眠模式下耗電流低至1.0毫安。具有標準AT命令接口，可以提供GSM語音、短消息等業務。GSM模塊工作流程如圖4所示。

圖4 GSM模塊工作流程圖

若外界發生火災、出現求救信號，機器人主控芯片處理后將通過串口給SIM800模塊發送AT指令即可實現打電話和發短信的功能。

5 火災報警系統

火災報警信息采集系統由多個傳感器協同完成，確保火災報警的準確度?；馂男畔⒉杉b置包括溫濕度傳感器、火焰傳感器和一氧化碳傳感器。

分別設定溫濕度傳感器、火焰傳感器和一氧化碳傳感器的報警閾值，若兩個或3個傳感器的數據都超過報警閾值，機器人通過GSM模塊向老人或指定手機號發送報警信號[14]，同時拍攝現場圖片便于判斷火情的嚴重程度；若僅有一個傳感器的數據超過報警閾值，機器人拍攝現場圖片發送給老人或指定手機，請求人工判斷?；馂膱缶到y原理圖如圖5所示。

圖5 火災報警系統原理圖

6 自動充電系統

6.1 欠電識別

養老機器人選用HT70XX系列的HT7070芯片用于電壓檢測。將電壓閾值設定為18 V，由于HT7070能檢測的最大電壓為7 V，因此對其采用分壓法進行檢測。在系統電壓低于18 V后，機器人開始規劃路徑尋找充電樁進行充電。

6.2 路徑規劃

6.2.1 室內地圖的繪制

目前室內定位大多基于信號衰減原理，由室內固定信號源向機器人發射信號，機器人接收到3個信號源的信號即可確定機器人的位置。確定位置后，機器人遍歷各房間即可完成室內地圖的繪制。常見的發射信號有超聲波、藍牙、超帶寬（UWB）。但這些信號在穿透墻體和空氣時的衰減特性不同，若信號源與機器人中間有墻體阻隔，會出現很大的定位誤差，不適用于有多個房間的家庭住宅，常用于倉庫等大型空曠場所。為克服此問題，養老機器人采用慣性傳感器繪制室內地圖。繪制室內地圖過程如圖6所示。

將充電樁所在位置作為繪制地圖的基準點，機器人從充電樁出發，沿墻繞各房間一周。機器人上安裝的里程計和角度計記錄機器人行走路徑，繪制出室內地圖[15]。

6.2.2 機器人識別自身位置

機器人根據里程計和角度計的數據判斷自身和充電樁的相對位置[16]。由于里程計和角度計存在累積誤差，故機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 繪制室內地圖示意圖

6.2.3 機器人與充電樁對接

為避免機器人運動對老人行走的干擾，充電時機器人沿墻體向充電樁運動。機器人跟據自身與充電樁的相對位置，由最短路徑優先原則判斷按照順時針或逆時針方向沿墻體運動至充電樁附近[17]。到達充電樁附近后，通過多組超聲波測距傳感器，與充電樁對準。

6.3 充電樁設計

常規充電插孔的孔徑很小，對機器人運動的精確度要求過高。研究發現采用長條槽狀孔，方便機器人與充電樁結合。充電樁長條槽狀孔的高度與機器人插頭的高度一致，當機器人進入充電區后，機器人插頭插入充電槽任意一段均可進行充電。當機器人電池電壓到達24 V后，充電完成，機器人自動離開充電樁。充電樁示意圖如圖7所示。

圖7 充電樁示意圖

7 結束語

養老機器人實現了自動避障、遠程控制、視頻監控、語音識別、火災報警以及自動充電等功能。該機器人經濟、實用，為老年人的生活提供方便，具有較強的市場推廣價值。同時，這些設計對養老機器人相關問題的解決提供了可借鑒的方法。機器人還可以與社區服務結合，社區服務人員通過養老機器人獲取老人的信息，與機器人配合，提供更好的服務。

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