人工智能自動(dòng)升降洗漱臺(tái)的設(shè)計(jì)

謝睿迪 馮雨禾 黃嘉雯

研究背景

居民家中洗漱臺(tái)的高度一般是按成人的身高制作的，孩子平時(shí)洗手時(shí)總是因?yàn)榧依锏南词_(tái)太高而弄濕袖子，如果洗漱臺(tái)的高度按孩子的身高制作的話，爸爸媽媽使用的時(shí)候就得把腰彎得很低。有的公共場(chǎng)所設(shè)有一個(gè)或兩個(gè)矮一些兒童洗手池，但也由于來洗手的人身高不同，存在用著不方便，資源不能重復(fù)利用的問題。如果洗漱臺(tái)的高度能夠隨使用者的身高自動(dòng)調(diào)節(jié)的話，就能方便所有人使用。

怎樣利用我們所學(xué)的機(jī)器人知識(shí)解決這個(gè)問題呢？于是，我們利用VEX和樂高EV3機(jī)器人器材設(shè)計(jì)了一個(gè)可以自動(dòng)測(cè)量使用者的身高并自動(dòng)調(diào)整洗漱臺(tái)高度的智能升降洗漱臺(tái)。

研究目的

調(diào)查不同身高的人最舒適的洗漱臺(tái)高度，用樂高EV3的傳感器和電機(jī)設(shè)計(jì)并制作一種裝置，能夠檢測(cè)到有人來洗手，能夠自動(dòng)測(cè)量使用者的身高，并能根據(jù)使用者的身高自動(dòng)將洗漱臺(tái)調(diào)整到最舒適的位置。

研究方法

1.調(diào)查不同身高的人最舒適的洗漱臺(tái)高度。通過實(shí)地測(cè)量學(xué)校內(nèi)、肯德基、大型超市內(nèi)的洗漱臺(tái)的高度，以及隨機(jī)訪問同學(xué)、老師們感覺最舒適的洗漱臺(tái)的高度，推導(dǎo)出由身高計(jì)算最舒適洗漱臺(tái)高度的計(jì)算公式。

2.研制利用超聲波傳感器、電機(jī)、滑輪裝置制作不接觸人體就能準(zhǔn)確測(cè)量人身高的裝置。

3.研制利用電機(jī)、滑輪裝置將洗漱臺(tái)升降到舒適位置的裝置。

4.根據(jù)實(shí)際測(cè)試者的建議，改進(jìn)我們的設(shè)計(jì)，形成最終成品。

具體實(shí)施

我們的設(shè)計(jì)是將兩個(gè)超聲波傳感器裝置，放置在洗漱臺(tái)旁邊的立柱的軌道上，并通過滑輪裝置和電機(jī)能使超聲波傳感器上下移動(dòng)。當(dāng)水平超聲波傳感器上下移動(dòng)自動(dòng)尋找人頭頂?shù)奈恢貌⑼Ｏ聛恚@時(shí)垂直超聲波傳感器測(cè)量距離立柱頂端標(biāo)志物的距離并計(jì)算出使用者身高;主機(jī)根據(jù)獲得的身高數(shù)據(jù)計(jì)算出最佳的洗漱臺(tái)高度，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)到該高度。

我們查詢到目前可升降洗漱臺(tái)多為兩種：一種為機(jī)械裝置，設(shè)置幾個(gè)銷卡分為幾檔，手動(dòng)調(diào)節(jié)洗漱臺(tái)到相應(yīng)高度后用銷子卡住;另一種為電動(dòng)式，用上下按鈕或遙控器控制設(shè)備，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)洗漱臺(tái)上下移動(dòng)。目前以上兩種均不能通過超聲波傳感器無接觸式的測(cè)量使用者的身高并根據(jù)使用者的身高自動(dòng)調(diào)整洗漱臺(tái)的高度。

本項(xiàng)目通過無接觸式的快速測(cè)量使用者的身高，并根據(jù)身高自動(dòng)調(diào)整洗漱臺(tái)的高度，最大程度上體現(xiàn)了以人為本，科技改變生活，機(jī)器人為人類服務(wù)的理念。

查閱資料、進(jìn)行構(gòu)思

通過上網(wǎng)查資料、實(shí)地測(cè)量肯德基的兒童洗手臺(tái)和成人洗手臺(tái)以及測(cè)量學(xué)校的洗手臺(tái)的高度，我們?cè)O(shè)計(jì)出了智能洗手臺(tái)的草圖，設(shè)想采用VEX的金屬材料搭建洗漱臺(tái)框架、用樂高EV3套件來搭建機(jī)械系統(tǒng)，完成智能自動(dòng)升降洗漱臺(tái)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

嘗試搭建、初步編程

我們先用VEX的金屬材料搭建洗漱臺(tái)框架，之后用樂高的齒輪和齒條結(jié)構(gòu)組裝了升降系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量身高系統(tǒng)，并進(jìn)行了編程。誕生了第一代“智能升降洗漱臺(tái)機(jī)器人”。

實(shí)驗(yàn)調(diào)試、初次改進(jìn)

通過實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)問題一一齒輪和齒條之問很容易脫齒，洗漱臺(tái)有一定的重量，升降時(shí)很費(fèi)勁。

我們決定將齒條結(jié)構(gòu)改為滑輪結(jié)構(gòu)來升降洗漱臺(tái)，并利用滑輪組省力的原理，用4個(gè)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)拉動(dòng)滑輪組的繩索。通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)洗漱臺(tái)升降平穩(wěn)多了，而且4個(gè)電機(jī)毫不費(fèi)力可以隨意停留在任何位置。

如何讓洗漱臺(tái)隨時(shí)感知自己所在的高度呢，我們?cè)谂_(tái)面下方安裝了一個(gè)超聲波傳感器，通過實(shí)時(shí)測(cè)量距離標(biāo)志物的距離，計(jì)算出臺(tái)面的實(shí)際高度。

再次調(diào)試、進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量身高部分

通過再次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量身高部分，由于超聲波傳感器的信息線不夠長(zhǎng)，主機(jī)是和超聲波傳感器一起上下移動(dòng)的，主機(jī)太重，插在電機(jī)上的軸總是壞掉。于是我們想做2根超長(zhǎng)的信息線，我們將3根50cm的線接成一根長(zhǎng)線，將主機(jī)和電機(jī)固定在金屬框架上，只讓兩個(gè)超聲波傳感器上下移動(dòng)。

增加手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，再次調(diào)試、進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量身高部分

為更方便人們使用，我們?yōu)橄词峙_(tái)增加了手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，這樣洗漱臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)高度完成后，還可以手動(dòng)按上下按鈕調(diào)節(jié)洗漱臺(tái)的高度。

安裝裝飾板

我們?yōu)樯迪词_(tái)設(shè)計(jì)了裝飾板，這樣洗漱臺(tái)會(huì)更漂亮一些。

工作原理

（一）工作過程

1.1號(hào)超聲波檢測(cè)是否有人要使用洗漱臺(tái)，如果有人靠近洗漱臺(tái)，則通過語音主動(dòng)和人打招呼。

2.使用者按下“開始”按鈕后，2號(hào)和3號(hào)超聲波同時(shí)向下移動(dòng)，檢測(cè)人頭頂?shù)奈恢茫瑴y(cè)量出使用者的身高。按公式：身高÷2-10，計(jì)算出洗漱臺(tái)的舒適高度。

3.驅(qū)動(dòng)電機(jī)將洗漱臺(tái)的調(diào)整到此高度（4號(hào)超聲波實(shí)時(shí)測(cè)量洗漱臺(tái)高度）。

4.另外還可以按上下按鈕手動(dòng)調(diào)整洗漱臺(tái)的高度。

（二）無接觸自動(dòng)測(cè)量身高工作原理

1.兩個(gè)超聲波傳感器（2號(hào)和3號(hào)）一起向下移動(dòng)，2號(hào)超聲波傳感器水平掃描，直到檢測(cè)到人頭頂。

2.在超聲波運(yùn)行軌道的頂端有一個(gè)標(biāo)志物，此標(biāo)志物距離地面的高度為193cm。

3 3號(hào)超聲波測(cè)量出頭頂距離標(biāo)志物的距離，設(shè)為y，則人的身高H₄₁為193-y。

（三）臺(tái)面最佳高度

我們通過使用者測(cè)試體會(huì)以及與網(wǎng)上相關(guān)資料的對(duì)比，得出以下結(jié)論：洗漱臺(tái)在人身高一半位置再向下10cm處時(shí)，是使用者感覺比較舒服的高度。所以，根據(jù)上一步測(cè)出的使用者的身高（H₄₁），很容易得出洗漱臺(tái)應(yīng)到達(dá)的高度（H₂）的計(jì)算公式為：H₂=H₁÷2-10

（四）臺(tái)面實(shí)時(shí)高度的計(jì)算

位于臺(tái)面下方的4號(hào)超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量臺(tái)面到下方標(biāo)志物的距離，設(shè)為h。

洗漱臺(tái)的實(shí)時(shí)高度為：H₂=h+48cm。