智能家居服务机器人

随着智慧城市、智慧家庭战略的不断推进，以智能服务机器人为代表的智能服务产品对提高生活品质、促进生活方式智慧化的作用日益凸显。在未来，会有越来越多的服务机器人作为为人类服务的大众消费产品走入寻常百姓家。本项目设计一款多功能智能家居服务机器人，集家庭服务与家居安防多功能于一体，可通过手机、语音等多种方式满足现代家庭娱乐、家庭服务、儿童看护、助老等多方面需求。

本项目设计以STM32作为控制核心的多功能智能家居服务机器人，该机器人底部装有STM32芯片、RFID读卡器、消毒液喷洒装置和驱动轮组，主控芯片装在底部能有效保护主控芯片，避免灰尘和直接接触导致的故障。机器人由四个电机驱动，转弯方式为差速转弯，可以实现灵活的任意方向前进，并且有一定的运载能力。供电模块装在STM32芯片旁边，经过两个稳压模块分别降压为8.5V和5V，为小车硬件提供稳定电压。机器人的顶部装备有机械臂、摄像头和通讯模块，机械臂和摄像头都是装在云台上的，可360°旋转，方便遥控。机器人的中间部分是传感器集成模块，当机器人在执行任务时，传感器将周围环境的信息返回给主控芯片，主控芯片再根据信息判断下一步执行的动作。多功能智能家居服务机器人模型如图1所示。

图1 多功能智能家居服务机器人的模型

本项目的多功能智能家居服务机器人主要实现以下5大功能，多功能智能家居服务机器人功能示意图如图2所示。

图2 多功能智能家居服务机器人功能示意图

1) 自动控制

多功能智能家居服务机器人放置在铺满智慧地板的房间里，使用配备在车底的RFID读卡器模块能读取智慧地板的ID值，确认机器人的位置，配合识别方向角的电子罗盘，能准确的得到机器人的状态。当机器人接收到任务时，会根据自身所在位置、物品所在位置和目标位置自动规划路线。在行进过程中会使用安装在车身周围的测距传感器进行避障，对路线进行实时调整。到达物品前面后，机器人使用机械手自动抓取物品，然后继续根据路线行进至目标位置，在指定位置自动放置物品或等待使用者取走机械手上的物品。当没有任务时，机器人回到充电座，进入待机模式，降低耗电。

2) 遥控

支持两种遥控模式，一种是通过对应的手机APP，通过WiFi通讯对机器人发出各种控制指令；另一种是采用语音控制，通过对使用者的输入指令进行分析识别，从而做出相应的动作。两种方式都可以实现对机器人的启动、停止、转向、抓取、放下等操作。

3) 远程监控

用户可以通过Internet 网络方式，访问家庭控制器，通过车载摄像头监控家庭，从而实现家庭监控的目的。设想如果在办公室想对家中的情况进行了解，而又束手无策时，本系统便很好的解决了这个问题，它可以通过手机远程操控家中的智能小车，把车载摄像头采集的图像数据通过以太网的方式传送到手机，而手机又可以控制小车的移动以提取不同位置的信息，从而实现对家庭的远程监控

4) 安全防护

多功能智能家居服务机器人安装有火焰传感器、气体传感器和人体红外传感器,当用户休息或外出时，可以打开机器人的安全防护模式，之后机器人就会房间内自由巡逻，使用传感器探测房间内是否有异常情况发生，比如火灾、房间存在有害气体和入室盗窃等情况。当检测到有异常情况发生后，机器人就会语音报警，同时向手机发送报警信息，汇报所发生的异常情况。并且用户可以自由设定时间段通过机器人的消毒液喷洒装置对其所经过的区域进行消毒处理，到达安全预防的目的。

5) 定时任务

机器人通过WiFi连接机智云平台同步网络时间，保证了准确的时间。使用者可以通过手机或者语音设置定时任务。定时任务可以是定时提醒吃药和起床等重要事件的提醒，也可以是定时执行任务，比如定时送药和水到床头、定时关窗和定时喷洒消毒药水等任务。

1987年，英国Mike Topping公司研制成功了Handy1机器人样机，它的通话功能可以在操作过程中为医护人员及用户提供有用的信息；1993年Lum团队研制出名为MIT-MANUS的脑神经辅助康复机器人，它提供平面运动和手部三维运动的训练模块，并为患者提供视觉反馈；2001年瑞士苏伊士联邦工业大学医学院与HOCOMA公司研制了Lokomat的下肢康复机器人，它目前已经成为减重式腿部驱动下肢机器人的典型代表；2005年哈尔滨工程大学机电一体化研究所制出一种减重式康复机器人；2006年德国WOODWAY公司将康复训练机器人与跑步机结合开发出LokoHelp的康复机器人^[4]；2010年日本大阪大学研发了第一款远端临场机器人“Telenoid  R1”；2012年日本研发出一款外形为熊的护理机器人ROBEAR，减轻了护工们的工作负担；2015年日本图像医疗系统工业会上介绍了海豹型机器人“PARO”作为“神经逻辑治疗机器人”，有助于对痴呆患者的护理；2016年北京智能管家科技有限公司推出了儿童陪伴智能机器人“布丁S”，主打语音聊天，语音控制；2017年深圳勇艺达机器人公司推出“小勇机器人”系列产品；2017年辽宁德沃与沈阳新送联合开发了一款智能养老机器人；2017年4月北京小鱼儿网络科技有限公司联合百度发布了分身鱼视频通话机器人，2018年再次联合百度发布旗下重量级产品小度在家带屏智能音箱；2018年9月锐纳达公司联合复旦大学机器人智能实验室共同研发出家庭服务机器人“睿豆”；2019年优必选科技推出室内巡检机器人AIMBOT(智巡士)，并荣获了国际安防的“金鼎奖”。

1) 采用STM32单片机为核心，可以根据实际的情况修改程序，可用简单的编程语言实现复杂的功能，灵活方便，经济实用。

2) 加入了语音模块，可通过语音的方式自由切换工作模式，也可以询问一些简单的问题，比如时间、当前温度等等，机器人会通过语音播报的方式回答相应问题。

3) 通过连接单片机的WiFi串口模块可定时向手机等网络设备发送实时消息，从而知道机器人当前的工作情况，工作进度。也可通过APP用来远程遥控机器人，调取摄像头来查看画面。

4) 设置有待机模式，在空闲的时候自动进入待机模式，并且自动回到充电座进行无线充电，减少电能消耗同时充电，保证机器人不会因电量不足而无法正常工作。

5) 加入了安全防护模式，可有效监测有害气体，是否有明火等安全火灾隐患。且有防范入室盗窃的功能，保障用户的安全。

1 技术路线

1) 硬件选择

选择STM32F103RCT6芯片作为多功能智能家居服务机器人的主控芯片，控制系统还包括传感器模块、通讯模块、电源稳压模块、舵机模块和消毒液喷洒装置。机器人的结构框图如图3所示。

① STM32F103RCT6控制板

本项目采用STM32F103RCT6器件作为核心部件。该器件采用Cortex-M3内核，CPU处理速度高达72 MHz。该产品具有256K Flash、多种控制外设、USB全速接口和CAN。此外该处理器价格低廉，适合大批量产，还拥有杰出的功耗控制，各个外设都有自己的独立时钟开关，可以通过关闭相应外设的时钟来降低功耗。

② 通信模块ESP8266

通讯模块采用ESP8266模块，ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少闪存需求。ESP8266通过GPIO口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了开发和运行中占用较小的系统资源。

图3 机器人结构框图

③ 电源稳压模块

电池容量高达10000mAh，电压输出12V，通过两块LM2596稳压模块稳定输出8.5V和5V，分别为电机模块、主控板和各种传感器提供稳定电压，保证正常工作。

④ 传感器模块

传感器模块由传感器和相应的信号调理电路组成。多功能智能家居服务机器人使用的传感器包括红外测距传感器、语音控制模块、火焰传感器、人体红外传感器、气体传感器、姿态传感器和RFID读卡器。

a. 红外测距传感器

机器人移动过程中检测障碍物距离的精度要求，红外测距传感器采用的型号为GP2Y0A21YK0F。红外测距模块 GP2Y0A21YK0F采用了三角测量方式，被测物体的材质，环境温度，测量时间都不会影响测量的精度。把测距传感器分别安装在机器人前方、左前方、右前方、左侧和右侧五个位置。

b. 语音识别模块

语音控制模块使用LD3320模块，该模块可以识别非特定人声，且不需要外接任何辅助的Flash芯片。

c. 姿态传感器

电子罗盘采用GY-801九轴姿态传感器模块中的HMC5883L三轴电子罗盘，可以在复杂环境下测得准确方位值，抗磁电干扰能力较强。

d. RFID读卡器

RFID读卡器采用Parallax公司的低频段28140读卡器,可读取125kHz标签，能更好的避免出现读不到卡的情况。

e. 火焰传感器

火焰传感器模块采用Telesky公司的火焰传感器模块，该传感器对火焰和火光的敏感度高，能够在80cm的距离内感受到火焰和火光，防止有火灾但是警报不响或者响应过慢的情况出现。

f. 气体传感器

气体传感器包括可燃气体传感器和甲醛气体传感器。MQ-5可燃气体传感器对于丁烷，丙烷，甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾，这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。而ZE08-CH2O甲醛气体传感器利用电化学原理对空气中的甲醛进行探测，内置温度传感器，可进行温度补偿。具有高灵敏度、功耗低、线性输出、抗干扰能力强等优点。

g. 人体红外传感器

HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用LH1778探头设计，灵敏度高，可靠性强，低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

⑤ 舵机模块

舵机模块分为机械臂和移动轮，机械臂由角度舵机和金属杆件组成。3个角度舵机构成三自由度机械臂，尺寸大小与搭建智能家居环境匹配，为保证机械臂动作精度，采用XP0933LV角度舵机。移动轮舵机使用JGB37-520霍尔编码电机，利用霍尔编码盘和PID速度控制技术，能控制电机精准移动。

⑥ 消毒液喷洒装置

消毒液喷洒装置由小型蓄水槽、微型水泵、雾化喷嘴组成。当接收到消毒指令时，水泵启动，把蓄水槽中的消毒液通过雾化喷嘴，使消毒液雾化，均匀的喷洒在地面。

2) 路径规划

路径规划主要可分为全局路径规划和局部路径规划，前者是指在环境信息完全已知的情况下，机器人规划一条从初始位置到目标位置的无碰撞最优路径;后者由于环境信息是未知的，需考虑局部的特定情况来进行路径调整。

机器人移动过程中利用电子罗盘进行姿态调整，即调整前进方向，努力寻找一条最快捷的路径到达目标位置。机器人姿态调整主要取决于当前位置和前一位置与目标位置的距离,包括横向距离和纵向距离。若当前位置与目标位置的横向距离和纵向距离分别小于或者等于前一位置与目标位置的横向距离和纵向距离，表明机器人与目标位置的距离在逐渐缩小，机器人在朝目标位置前进，否则就说明机器人没有按预期的轨迹前进，需要再次进行姿态调整。多功能智能家居服务机

器人姿态调整示意图如图4所示。

图4 多功能智能家居服务机器人姿态调整示意图

局部路径规划包括避障处理、振荡位置分析、房门位置搜索和过房门策略分析。在机器人移动过程中，需要不断探测周围环境，从而更好地决定下一步动作。五个红外传感器数据使机器人时刻掌握周围环境，避障处理要求机器人合理避开障碍物，向目标位置移动。

3) 程序设计

全自动工作模式：机器人空闲时待机休眠，在充电座充电，等待任务。接收到任务后，退出待机休眠模式。根据任务自动规划路线，避障行进，前往物品夹取点，路线上如果有障碍物就运行局部路径规划。到达物品夹取点后，使用机械手夹取物品，前往物品放置点，路线上如果有障碍物就运行局部路径规划，直到到达物品放置点，放下物品。是否有新的任务，如果有就重复以上步骤，没有就回到充电座，进入待机休眠模式。机器人全自动工作模式流程图如图5所示。

图4 机器人全自动工作模式流程图

安全防护模式：机器人进入安全防护模式后，在房间内自由巡逻，通过传感器返回的信息判断是否出现异常情况。如果发现异常情况，就发出语音警报，并把警报信息发送到手机上，使用者可以用手机取消警报，或按机器人上的取消警报按键取消警报，异常情况消除机器人也会自动取消警报。在自由巡逻期间，当机器人电量少于10%时，机器人会自动返回充电座充电，电量充到90%后，会继续自由巡逻。机器人安全防护模式流程图如图6所示。

2 拟解决的主要问题

1) 对机械臂的机械结构进行合理设计，保证抓取物体和放置物体的精确度；

2) 通过对不同方向的5个红外测距传感器所返回的距离信号处理，确保机器人能自动避障；

3) 对WiFi模块配置，实现机器人能与手机APP进行通信；

4) 通过对霍尔编码电机PID控制，实现机器人的平稳运行。

图5 机器人安全防护模式流程图

3 预期成果

1) 制作产品模型一套，实现设计的基本功能；

2) 申请专利或发表相关论文一篇。

2024年4月至2024年5月，项目前期调研、项目申请立项、查询和学习与项目相关专业知识；

2024年6月至2024年9月，设计多功能智能家居服务机器人的控制方案，根据方案列出所需硬件，设计硬件接线图；

2024年10月至2024年12月，完成系统各部分的制作与整体组装，制作实物；

2025年1月至2025年2月，完成项目的测试、调试和修正；

2025年3月至2025年4月，完成项目结题的论文和项目的验收。