基于星空定位的智能助老机器人的研究与设计

   跟着生齿老龄化历程的加快及机械人、智能把持等方面技巧的不断生长,关于助老助残办事机械人的研制开发也愈来愈
多的受到人们的关注。文章在近年来办事机械人定位技巧研讨和生长情况的基础上,设计了一种基于星空定位的智能助老机械人零碎。该零碎以ARM9处理器S3C2440为把持中心,搭载PC工控机,配备星空定位模块及各类传感器模块,自立开发应用把持程序,能够完成不变行走、环境监测、物体抓取等辅佐老人生活自理的事情。该零碎经实验验证,运行良好,到达了设计求。 

  关键词助老机械人;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 

  生齿老龄化已成为21世纪不可逆转的全国性趋向,生齿老龄化问题将成为全国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趋
成为一个重大的社会问题。因而,研制开发助老助残机械人产物,以辅佐老人日常的生活自理,保证社会不变存在重作用。 

  机械人研讨中的关键技巧包孕定位导航技巧、功效性的机械结构技巧、路径规划技巧和智能技巧等。本文在综述近年来办事机械人技巧研讨和生长情况的基础上,以助老办事机械人为研讨工具,设计了一种基于星空定位的助老机械人零碎,该助老机械人能够在室内完成一些辅佐老人日常生活的基本功效,例如不变行走、环境监测、抓取物品等。 

  2 机械人定位技巧 

  定位技巧是挪动机械人研讨中的一项关键技巧,对于一个自立的机械人零碎,准确的空间定位是其完成自立导航的条件。定位更具体地说是利用先验环境舆图信息、机械人位姿的当前估量和
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械人当前位姿的估量。 

  本文采取
的星空定位体式格局是在基于路标和基于舆图体式格局的基础之上,采取
一种星空定位模块所设计的,基本原理是采取
基于天花板上的幾何图形路标来构建环境舆图,以完成助老机械人的室内自立导航定位。 

  3 零碎整体
设计 

  智能助老办事机械人零碎的设计包孕硬件平台与软件平台两局部,硬件平台由微处理器和外围的接口电路组成, 同时还包孕传感器及驱动器接口和被控工具(机械装置);而软件一般由及时操作零碎及其运行的应用软件形成,其应用软件的功效层由基于RTOS 的应用程序组成,用来把持被控工具,零碎软硬件层次结构图如图1所示。 

  4 零碎硬件设计 

  该智能助老办事机械人零碎包孕机械零碎、硬件零碎和软件零碎三大局部。机械零碎设计主包孕机械人的结构设计、运动机关设计、设备选型和装置衔接等,硬件零碎主指把持零碎,是整个机械人零碎的中心局部。 

  4.1 机械零碎 

  智能助老机械人的外壳及结构由轻质铝合金组成,它依靠2个存在及时角度反馈的自动轮举行准确地挪动;配置5个自由度的机械臂,各关节局部由大功率舵机来衔接,以完成机械人简单的物体抓取事情;机身前部装置6个超声波传感器,底部前后各装置3组碰撞传感器,以完成机械人的避障;机身上部配置星空定位模块完成机械人的自立导航;另外还配置数字摄像头,用来完成人脸和物体的识别。 

  4.2 把持零碎 

  智能助老机械人的把持零碎是机械人的神经中枢,其硬件设计至关重。起首它是用户把持逻辑的具体执行者,机械人的各类把持功效必须通过硬件完成;其次它也是及时把持零碎软件移植和运行的硬件环境。本助老机械人的把持零碎采取
部件模块化,接口标准化,由每一个功效模块组成一个有机整体,整个把持零碎主包孕以下几个模块处理器模块、机电驱动把持模块、定位模块、传感器模块和
电源办理模块等,其功效组成框图如图2所示。

  4.2.1 处理器把持模块 

  处理器模块是整个把持零碎的中心模块,其性能利害直接决定整个零碎的运行效果。选用三星公司ARM9系列的S3C2440处理器作为助老机械人的把持CPU,在嵌入式操作零碎Linux下完成机械人把持。S3C2440处理器采取
ARM920T内核,内部时钟可达400 MHz,因而可用来举行复杂把持算法,提高把持精度;拥有MMU(内存办理单位)、3路UART把持器、SD主机和MMC接口和
大量通用I/O口,能够餍足设计需要。 

  4.2.2 机电驱动把持模块 

  机电驱动把持模块采取
ARM7和FPGA把持芯片,对外的通信体式格局有多种,能够餍足不同的把持体式格局。其中直流机电的把持局部采取
PID算法,能够及时把持机电的转速、扭转角度,而且带有角度保持功效。 

  4.2.3 定位模块 

  星空定位模块采取
定位模块StarGaze,StarGazer模块包孕红外无源标签和红外发射接收器两局部,是专为家庭办事机械人设计的内部环境定位传感设备。星空定位零碎所发出的红外线,通过粘贴在房顶墙面上的的无源标签举行反射以后被StarGazer零碎的红外接收器接收到,从而完成对助老机械人的及时定位的任务。 

  5 零碎软件设计 

  智能助老机械人零碎软件平台的设计包孕机载计算机软件零碎设计与把持零碎软件设计两大局部,机载计算机是指装置在助老机械人上面的PC工控机,预装Windows XP嵌入式操作零碎,用来运行用户自立开发的应用程序。机载计算机软件零碎采取
面向工具的C++编程语言,基于Visual Studio 2008开发环境举行开发,把持零碎软件采取
嵌入式Linux操作零碎来完成,二者
之间采取
基于TCP/IP协议举行通信。 

  6 结束语 

  跟着科技与办事机械人技巧的不断生长,助老机械人愈来愈
受到人们的关注,也愈来愈
贴近人们的日常生活,这给未来生齿老龄化问题提供了一个可行的解决方案,存在广阔的应用开发与市场前景。本文研讨的这种基于星空定位的助老办事机械人零碎,较好地解决了自立挪动式机械人的定位导航问题,能够举行不变的行走、物体识别、语音人机交互及抓取物体等功效,能够辅佐老人举行日程的生活自理。 

  参考文献 

  1邓志东,程振波.我国助老助残机械人产业与技巧生长现状调研J.机械人技巧与应用,2010,220-24. 

  2胡劲草.室内自立式挪动机械人定位体式格局J.传感器全国,2006,116-10. 

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  4李卫,宋弘,李红婵.基于ARM的嵌入式办事机械人把持器的研讨J.电子设计工程,2009,17(9)3-5.