基于星空定位的智能助老机器人的研究与设计

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   随着人口老龄化进程的加快及机器人、智能控制等方面技术的不断发展,关于助老助残服务机器人的研制开发也越来越多的受到人们的关注。文章在近年来服务机器人定位技术研究和发展状况的基础上,设计了一种基于星空定位的智能助老机器人系统。该系统以ARM9处理器S3C2440为控制核心,搭载PC工控机,配备星空定位模块及各种传感器模块,自主开发应用控制程序,能够完成稳定行走、环境监测、物体抓取等辅助老人生活自理的工作。该系统经实验验证,运行良好,达到了设计求。 
  关键词助老机器人;定位导航;ARM9微处理器;传感器 
  中图分类号TP242 文献标志码A 文章编号2095-2945(2017)36-0014-02 
  1 概述 
  人口老龄化已经成为21世纪不可逆转的世界性趋势,人口老龄化问题将成为世界各国面临的前所未有的新挑战,另外不少数量的各类残疾口人也使得助老助残问题正日益成为一个重大的社会问题。因此,研制开发助老助残机器人产品,以辅助老人日常的生活自理,保证社会稳定具有重作用。 
  机器人研究中的关键技术包括定位导航技术、功能性的机械结构技术、路径规划技术和智能技术等。本文在综述近年来服务机器人技术研究和发展状况的基础上,以助老服务机器人为研究对象,设计了一种基于星空定位的助老机器人系统,该助老机器人能够在室内完成一些辅助老人日常生活的基本功能,例如稳定行走、环境监测、抓取物品等。 
  2 机器人定位技术 
  定位技术是移动机器人研究中的一项关键技术,对于一个自主的机器人系统,精确的空间定位是其实现自主导航的前提。定位更具体地说是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计以及传感器的观测值等输入信息,经过一定的处理和变换,产生更加准确的对机器人当前位姿的估计。 
  本文采用的星空定位方法是在基于路标和基于地图方法的基础之上,采用一种星空定位模块所设计的,基本原理是采用基于天花板上的幾何图形路标来构建环境地图,以实现助老机器人的室内自主导航定位。 
  3 系统总体设计 
  智能助老服务机器人系统的设计包括硬件平台与软件平台两部分,硬件平台由微处理器和外围的接口电路组成, 同时还包括传感器及驱动器接口和被控对象(机械装置);而软件一般由实时操作系统及其运行的应用软件构成,其应用软件的功能层由基于RTOS 的应用程序组成,用来控制被控对象,系统软硬件层次结构图如图1所示。 
  4 系统硬件设计 
  该智能助老服务机器人系统包括机械系统、硬件系统和软件系统三大部分。机械系统设计主包括机器人的结构设计、运动机构设计、设备选型和安装连接等,硬件系统主指控制系统,是整个机器人系统的核心部分。 
  4.1 机械系统 
  智能助老机器人的外壳及结构由轻质铝合金组成,它依靠2个具有实时角度反馈的主动轮进行精确地移动;配置5个自由度的机械臂,各关节部分由大功率舵机来连接,以完成机器人简单的物体抓取工作;机身前部安装6个超声波传感器,底部前后各安装3组碰撞传感器,以实现机器人的避障;机身上部配置星空定位模块实现机器人的自主导航;另外还配置数字摄像头,用来实现人脸和物体的识别。 
  4.2 控制系统 
  智能助老机器人的控制系统是机器人的神经中枢,其硬件设计至关重。首先它是用户控制逻辑的具体执行者,机器人的各种控制功能必须通过硬件实现;其次它也是实时控制系统软件移植和运行的硬件环境。本助老机器人的控制系统采用部件模块化,接口标准化,由每一个功能模块组成一个有机整体,整个控制系统主包括以下几个模块处理器模块、电机驱动控制模块、定位模块、传感器模块以及电源管理模块等,其功能组成框图如图2所示。
  4.2.1 处理器控制模块 
  处理器模块是整个控制系统的核心模块,其性能好坏直接决定整个系统的运行效果。选用三星公司ARM9系列的S3C2440处理器作为助老机器人的控制CPU,在嵌入式操作系统Linux下实现机器人控制。S3C2440处理器采用ARM920T内核,内部时钟可达400 MHz,因此可用来进行复杂控制算法,提高控制精度;拥有MMU(内存管理单元)、3路UART控制器、SD主机和MMC接口以及大量通用I/O口,可以满足设计需求。 
  4.2.2 电机驱动控制模块 
  电机驱动控制模块采用ARM7和FPGA控制芯片,对外的通讯方式有多种,可以满足不同的控制方式。其中直流电机的控制部分采用PID算法,可以实时控制电机的转速、旋转角度,而且带有角度保持功能。 
  4.2.3 定位模块 
  星空定位模块采用定位模块StarGaze,StarGazer模块包括红外无源标签和红外发射接收器两部分,是专为家庭服务机器人设计的内部环境定位传感设备。星空定位系统所发出的红外线,通过粘贴在房顶墙面上的的无源标签进行反射以后被StarGazer系统的红外接收器接收到,从而完成对助老机器人的实时定位的任务。 
  5 系统软件设计 
  智能助老机器人系统软件平台的设计包括机载计算机软件系统设计与控制系统软件设计两大部分,机载计算机是指安装在助老机器人上面的PC工控机,预装Windows XP嵌入式操作系统,用来运行用户自主开发的应用程序。机载计算机软件系统采用面向对象的C++编程语言,基于Visual Studio 2008开发环境进行开发,控制系统软件采用嵌入式Linux操作系统来实现,两者之间采用基于TCP/IP协议进行通信。 
  6 结束语 
  随着科技与服务机器人技术的不断发展,助老机器人越来越受到人们的关注,也越来越贴近人们的日常生活,这给未来人口老龄化问题提供了一个可行的解决方案,具有广阔的应用开发与市场前景。本文研究的这种基于星空定位的助老服务机器人系统,较好地解决了自主移动式机器人的定位导航问题,能够进行稳定的行走、物体识别、语音人机交互及抓取物体等功能,可以辅助老人进行日程的生活自理。 
  参考文献 
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  2胡劲草.室内自主式移动机器人定位方法J.传感器世界,2006,116-10. 
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  4李卫,宋弘,李红婵.基于ARM的嵌入式服务机器人控制器的研究J.电子设计工程,2009,17(9)3-5.