多功能智能養(yǎng)寵機(jī)器人設(shè)計(jì)

崔 敏， 馮苗苗， 楊 琨， 盧澤森， 馮俊豪

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部， 廣東江門(mén) 529020）

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高， 更多的人選擇飼養(yǎng)寵物來(lái)陪伴自己，緩解壓力，獲取生活的滿(mǎn)足感。 但由于人們攜帶寵物出行不方便、上班時(shí)間無(wú)法照顧寵物等緣由，也帶來(lái)了諸如寵物拆家、寵物自虐及隨地大小便等居家“留守寵物”的若干問(wèn)題。 目前市面上針對(duì)這些“留守寵物”，僅有喂食機(jī)、逗狗機(jī)等幾款單一功能產(chǎn)品，無(wú)法滿(mǎn)足“鏟屎官”們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求[1]。 為了解決飼養(yǎng)寵物帶來(lái)的這一系列問(wèn)題，減少“鏟屎官”的煩惱，研制寵物用多功能智能機(jī)器人迫在眉睫。

為此，本文設(shè)計(jì)了一款多功能智能養(yǎng)寵機(jī)器人，在現(xiàn)有掃地機(jī)器人和陪玩機(jī)器人功能的基礎(chǔ)上， 結(jié)合CAD/CAM、語(yǔ)音和視覺(jué)聯(lián)動(dòng)、SLAM 等技術(shù)[2]，開(kāi)展組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主導(dǎo)航、逗狗拋球、自主避障[3]、清理寵物排泄物等功能。

1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

多功能智能養(yǎng)寵機(jī)器人具有以下基本功能： ①語(yǔ)音智能交互功能：通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)機(jī)器人指定控制功能，與用戶(hù)實(shí)現(xiàn)智能交互；②自主拾球和拋球功能：利用機(jī)械爪自主撿取玩具球，并通過(guò)發(fā)射裝置發(fā)射出去，整個(gè)流程依靠機(jī)器人自主完成；③清理垃圾功能：能對(duì)灰塵和寵物排泄物進(jìn)行識(shí)別以及判斷， 并會(huì)在機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)行裝袋及封裝處理；④自主定位與導(dǎo)航：機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)激光掃描和對(duì)自身位置的估計(jì)，建造增量式室內(nèi)地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航；⑤避障功能：通過(guò)與主控板相連接的紅外傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，指引驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行避障；⑥自主警報(bào)功能： 依靠煙霧傳感器及溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)安全，有緊急情況會(huì)及時(shí)向用戶(hù)發(fā)出警告。 機(jī)器人基本功能如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人功能示意圖Fig.1 Schematic diagram of robot function

機(jī)器人包括機(jī)械本體和控制系統(tǒng)兩大模塊。 機(jī)械本體主要是由行走機(jī)構(gòu)、盤(pán)上機(jī)構(gòu)和盤(pán)下機(jī)構(gòu)三部分組成，應(yīng)用全向輪組件作為行走機(jī)構(gòu)，底盤(pán)上布置有機(jī)械手、發(fā)射裝置和視覺(jué)云臺(tái)，底盤(pán)下設(shè)計(jì)清潔毛刷和清理裝置。 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)渲染圖Fig.2 Mechanical body structure rendering

機(jī)器人控制系統(tǒng)包括Arduion 開(kāi)發(fā)板、語(yǔ)音智能交互模塊、Openmv 視覺(jué)模塊和自主導(dǎo)航模塊等。

2 工作原理

智能養(yǎng)寵機(jī)器人的操作可采用語(yǔ)音或自動(dòng)模式。 當(dāng)語(yǔ)音板接收到下達(dá)指令，即將指令發(fā)送給樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板，由其對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別判斷， 并轉(zhuǎn)化為不同的信號(hào)傳輸?shù)紸rduino 開(kāi)發(fā)板；由Arduino 對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行分析，再將信號(hào)傳輸?shù)絆penmv 視覺(jué)模塊；視覺(jué)模塊接收到信號(hào)后，判斷信號(hào)是陪玩還是清掃， 啟動(dòng)攝像頭對(duì)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行圖像識(shí)別， 將目標(biāo)的坐標(biāo)位置及大小等信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析后發(fā)送回Arduino， 由Arduino 開(kāi)發(fā)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)或舵機(jī)，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的行走位置，并控制攝像頭及機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)。 控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3 所示。 若為陪玩，通過(guò)機(jī)械爪拾取小球，將拾到的小球放至發(fā)射器滑道上，通過(guò)彈射機(jī)構(gòu)將小球發(fā)射出去；若為清理較大垃圾，則通過(guò)兩個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的毛刷對(duì)垃圾進(jìn)行清理封裝； 若為清掃灰塵，則利用吸附檫拭方法對(duì)地面進(jìn)行清掃。

圖3 機(jī)器人控制架構(gòu)圖Fig.3 Robot control architecture diagram

若主人不在家， 則可開(kāi)啟自動(dòng)模式， 采用SLAM 技術(shù)，通過(guò)激光雷達(dá)構(gòu)建室內(nèi)地圖，使機(jī)器人按照巡航路線(xiàn)執(zhí)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障和自主導(dǎo)航。

3 機(jī)械本體主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能養(yǎng)寵機(jī)器人機(jī)械本體主要結(jié)構(gòu)分為傾斜式絲桿三軸機(jī)械手、發(fā)射裝置、視覺(jué)云臺(tái)、錐齒輪聯(lián)動(dòng)毛刷、清理裝置等五個(gè)組件。

（1）傾斜式絲桿三軸機(jī)械手由機(jī)械爪、舵機(jī)、電機(jī)、絲桿、導(dǎo)柱、滑塊、聯(lián)軸器、支架等組成，如圖4 所示。 其中機(jī)械爪、舵機(jī)1、舵機(jī)2 和機(jī)械爪支架構(gòu)成旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，由舵機(jī)1 控制機(jī)械爪的開(kāi)合，舵機(jī)2 控制機(jī)械爪的仰俯轉(zhuǎn)動(dòng)。 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)與滑塊相連接， 滑塊在電機(jī)的帶動(dòng)下可沿絲桿軸向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的三自由度運(yùn)動(dòng)。考慮到機(jī)械爪拾取小球后需穩(wěn)定且快速地將小球放入滑軌上端， 故將絲桿支架設(shè)計(jì)成傾斜式，固定在底盤(pán)上。

圖4 傾斜式絲桿三軸機(jī)械手Fig.4 Inclined screw three axis manipulator

（2）發(fā)射裝置由電機(jī)、摩擦輪、滑軌和支架等組成，如圖5 所示。摩擦輪為兩個(gè)并列的橡膠輪，分別由兩個(gè)反向的直流減速電機(jī)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械爪由視覺(jué)指引，拾取小球放入滑軌，小球沿著滑軌滾下，在滑軌下方與摩擦輪相接觸，由此產(chǎn)生的摩擦力將小球彈射出去。

圖5 發(fā)射裝置Fig.5 Launcher

（3）視覺(jué)云臺(tái)由攝像頭、電機(jī)和支架組成。 采用兩個(gè)海泰無(wú)刷電機(jī)， 分別控制攝像頭的豎直角和水平角兩自由度運(yùn)動(dòng)，使之擁有更為靈活的視野，如圖6 所示。

圖6 視覺(jué)云臺(tái)Fig.6 Visual table

（4）錐齒輪聯(lián)動(dòng)毛刷機(jī)構(gòu)由支架固定在底盤(pán)之下，通過(guò)采用獨(dú)特的錐齒輪傳動(dòng)方式， 將直流電機(jī)的動(dòng)力傳遞給兩個(gè)聯(lián)動(dòng)毛刷，使之具有良好的同步性和相向性，能夠有效歸攏收集較大垃圾或排泄物，如圖7 所示。

圖7 錐齒輪聯(lián)動(dòng)毛刷Fig.7 Bevel gear linkage brush

（5）清理裝置由滾筒刷、電機(jī)、吸盤(pán)組成，如圖8 所示。 電機(jī)帶動(dòng)滾筒刷轉(zhuǎn)動(dòng)，放置于吸盤(pán)下方，用于檫拭地面，吸附毛發(fā)灰塵等，清潔室內(nèi)衛(wèi)生。

圖8 清理裝置Fig.8 Cleaning device

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）語(yǔ)音智能交互算子。利用樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板作為主控端，語(yǔ)音板作為接收器，當(dāng)語(yǔ)音板內(nèi)的麥克風(fēng)接收到外界傳來(lái)的喚醒詞后， 傳遞到樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，利用串口通信再把信號(hào)傳輸?shù)紸rduino 開(kāi)發(fā)板，由Arduino 開(kāi)發(fā)板驅(qū)動(dòng)各模塊來(lái)進(jìn)行操作。利用語(yǔ)音交互系統(tǒng)還可以開(kāi)啟安全監(jiān)控功能， 此時(shí)煙霧傳感器及溫度傳感器可對(duì)室內(nèi)安全實(shí)時(shí)檢測(cè)，有情況發(fā)出警告通知用戶(hù)。語(yǔ)音控制算法流程如圖9 所示。

圖9 語(yǔ)音控制算法流程圖Fig.9 Flow chart of speech control algorithm

（2）視覺(jué)陪玩算子[4]。Openmv 視覺(jué)模塊用于接收傳入的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，返回特征值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)校正，由通信接口傳遞給Arduino 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使機(jī)器人駛向小球，控制舵機(jī)進(jìn)行抓球、拋球動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)寵物的陪玩。 機(jī)器人移動(dòng)控制算法流程如圖10 所示。

圖10 移動(dòng)控制算法流程圖Fig.10 Flow chart of motion control algorithm

（3）自主定位導(dǎo)航算子。 機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中，以激光雷達(dá)為主導(dǎo)， 借助陀螺儀和紅外線(xiàn)傳感器等其他傳感器，自主感知環(huán)境和自主定位，實(shí)時(shí)進(jìn)行地圖構(gòu)建，然后將構(gòu)建的地圖返回到主控端存儲(chǔ)起來(lái)。 地圖用于在環(huán)境中定位，以及描述當(dāng)前環(huán)境以便于規(guī)劃航線(xiàn)。 在Openmv 視覺(jué)模塊收到命令之前，也可以預(yù)先設(shè)定機(jī)器人在家執(zhí)行預(yù)設(shè)路線(xiàn)。 自主定位導(dǎo)航控制算法流程如圖11 所示。

圖11 自主定位導(dǎo)航控制算法流程圖Fig.11 Autonomous positioning and navigation

5 結(jié)論

本文提出一種智能養(yǎng)寵機(jī)器人，通過(guò)語(yǔ)音智能交互、視覺(jué)識(shí)別及激光雷達(dá)自動(dòng)導(dǎo)航等技術(shù)在機(jī)械本體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了陪玩、清理寵物垃圾等照顧寵物的功能， 還具有自主導(dǎo)航及避障的功能。 若配置有煙霧傳感器、溫度傳感器等，還可以時(shí)刻監(jiān)視家中安全狀況。 該機(jī)器人具有小巧玲瓏、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，既能減少用戶(hù)煩惱和負(fù)擔(dān)，又可陪同寵物玩耍，使“鏟屎官”們充分享受寵物帶來(lái)的樂(lè)趣。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其操作的可行性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。