孫宇揚 陳舉旺 單志超

摘要：隨著生活質(zhì)量的提高，機器人在百姓家的普及率越來越高。但傳統(tǒng)的機器人功能單一，泛用性不高，不同的生活需求需要數(shù)個機器人實現(xiàn)，對家庭空間和經(jīng)濟狀況都有一定的負擔，這也成為了機器人推廣困難的一大重要原因。

針對上述情況，本文設計了一款多用途的家庭環(huán)衛(wèi)機器人。機器人能夠同時滿足搬運重物、抓取物品、遠程監(jiān)控的等不同方面的需求，并且有比較高的精度確定，能夠高效完成操作任務。并且采用人工智能，可以實現(xiàn)家庭清潔的功能。在實現(xiàn)家居智能化需求的同時也減少不必要資源浪費與家庭空間的占用。

關鍵詞：家庭環(huán)衛(wèi);節(jié)約高效;智能控制

1、緒論

1.1現(xiàn)狀

一提起機器人，很多人會認為它們距離我們的生活還很遙遠。其實，機器人時代已經(jīng)拉開序幕。但是家用機器人的發(fā)展仍受到了許多技術的限制，另一方面，我們國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)雖然很熱，但85%的產(chǎn)品還是依賴進口，國內(nèi)的機器人絕大部分處于中低端，僅能實現(xiàn)單一功能，想要實現(xiàn)多種功能就需要購買不同的機器人，對家庭空間和經(jīng)濟狀況都有一定的負擔。

1.2存在的問題及對策

目前市面上的機器人功能模式相對單一，靈活性不高，行動遲緩，不能有效的監(jiān)控家中情況，也不能快捷有效的傳遞信息。

家庭環(huán)衛(wèi)機器人是面向家庭的服務機器人。機器人先利用兩個攝像頭和GPS全方位的觀測環(huán)境，然后利用匿名上位機的信息傳輸通信協(xié)議，讓用戶掌握機器人所屬環(huán)境，用戶可以利用上位機設置機器人的工作模式，目前有三種工作模式，全自動模式，半自動模式，遙控模式，同時攝像頭會把自己所拍攝到的景象進行保存，機器人處理垃圾時，CPU計算型云服務器能夠提供非常高速的圖像處理能力，在服務器的機器人程序中引用open CV圖像處理API，谷歌地圖接口，為機器人進行垃圾分類，提供圖像處理和路線規(guī)劃工作提供幫助，在機器人智能感知方面，同時，相較于普通的掃地機器人，家庭環(huán)衛(wèi)機器人使用機械臂，可以對房間角落等進行高效的清潔，也可以進行端水抬重物等簡單操作，設計完整的機器人視覺感知系統(tǒng)，打造微傳感、高智能化的感控一體的芯片是十分重要的發(fā)展方向，其中也有諸多的工作要做。機器人除了智能感知和智能控制，還需要穩(wěn)定有效的關節(jié)，機器人關節(jié)是其執(zhí)行機構的關鍵部件。因此，機器人的打掃衛(wèi)生使用六軸機械臂，機械手，機器人的前半身和后半身通過聯(lián)軸器連接，利用云臺給機械臂提供底座，配合機械臂完成動作。

2、系統(tǒng)整理方案設計

2.1設計出實際可行的智能環(huán)衛(wèi)機器人遵循以下幾條原則：

（1）能夠準確無誤的完成好清掃功能。

（2）各項器件能夠正常運行。

（3）有快捷高效的信息傳輸能力。

（4）智能環(huán)衛(wèi)機器人操作簡單易懂。

2.2系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要包括上位機、云服務器、GPS、攝像頭、聯(lián)軸器、云臺、機械手、機械臂、雷達傳感器等。

2.2.1信息采集與傳輸系統(tǒng)

利用攝像頭和GPS對機器人所處環(huán)境信息進行采集，利用上位機的信息傳輸通信協(xié)議將測得的數(shù)據(jù)上傳。

2.2.2上位機系統(tǒng)

遠程同步機器人群體的實時地圖位置分布情況及所處環(huán)境的雷達和攝像頭圖像。讓用戶能夠分別從第一和第三視角更加及時，全面的掌握機器人所處環(huán)境信息，實施遠程遙控。

2.2.3云服務器系統(tǒng)

選用GPU計算型云服務器對垃圾進行智能分類，同時為機器人規(guī)劃行動路線。

2.2.4儲存系統(tǒng)

儲存攝像頭原始數(shù)據(jù)，以便調(diào)用。

2.3模塊設計方案

2.3.1信息采集系統(tǒng)

機器人前后安裝兩個攝像頭可以360度旋轉，全方位地觀測周圍環(huán)境，提高工作效率。GPS是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路。GPS和攝像頭信息采集三個方面，利用現(xiàn)有的雷達傳感器，GPS模塊和攝像頭模塊分別對機器人周圍環(huán)境的雷達信息，地圖位置信息以及圖像信息進行采集。

2.3.2信息傳遞系統(tǒng)

信息傳輸，考慮到我們的所要傳輸?shù)男畔⒘枯^大，存在信息的丟失風險（影響機器人系統(tǒng)的正常運行），我們決定借鑒匿名上位機的信息傳輸通信協(xié)議，協(xié)議如下：我們會將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以幀為單位分為幀頭，數(shù)據(jù)發(fā)送源，數(shù)據(jù)目的地，數(shù)據(jù)功能字，數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)還有SUM校驗對數(shù)據(jù)進行傳輸。

2.3.3上位機系統(tǒng)

實時地圖位置讓用戶能夠及時掌握機器人所處環(huán)境信息，進行網(wǎng)上遙控。上位機可以直接向計算機發(fā)出操控命令，可以通過上位機來設置機器人的工作模式。目前預定的工作模式有三種：

a）：全自動模式，在無人進行遠程操控時，可以設置該模式，機器人系統(tǒng)將自動為機器人分配清潔任務并自動進行路線規(guī)劃。

b）：半自動模式，用戶可通過上位機對機器人發(fā)布將要執(zhí)行的任務指令，機器人再對任務指令進行解析并執(zhí)行。

c）：遙控模式，用戶可以通過上位機對機器人的運動細節(jié)進行更見精密的掌控，以實現(xiàn)機器人的附加功能。

2.3.4云服務器系統(tǒng)

由于我們的機器人在運行時會執(zhí)行大量的圖像處理工作（垃圾識別，垃圾分類等），所以我們決定選用GPU計算型云服務器，能夠為我們提供更快更強的圖像處理功能。我們會在服務器上的機器人服務程序中引入OpenCV圖像處理的API，Google地圖接口，為機器人提供圖像處理和路線規(guī)劃工作。

2.3.5儲存系統(tǒng)

首先，選用SD卡進行數(shù)據(jù)儲存?zhèn)浞荩瑢⒃紨?shù)據(jù)儲存到SD卡中。通過移植FATFS文件系統(tǒng)，當SD卡 沒有剩余空間可以繼續(xù)寫入時，使用FLSEEK函數(shù)，對之前的數(shù)據(jù)進行循環(huán)覆蓋，即按照時間順序，將新數(shù)據(jù)寫入，將最早的數(shù)據(jù)進行覆蓋，循環(huán)如此，需要查看卡內(nèi)數(shù)據(jù)時，則將原始數(shù)據(jù)取出，進行處理，得到視頻文件。

3結論

本項目的研究背景是根據(jù)市面上機器人的銷售情況和用戶的反饋情況，市面上廣泛流通的掃地機器人并不能夠完全滿足用戶的需求，如果購買幾個機器人來滿足自己日常的生活需求，這些機器人重復的功能還會造成資源浪費，不但占據(jù)家庭不小的空間，還會為家庭造成不必要的經(jīng)濟負擔。

家庭環(huán)衛(wèi)機器人不但高智能化，還有多種功能，滿足日常生活的所有基本需求，為家庭提供便利，還在最大程度上節(jié)約資源，減輕了家庭負擔。

參考文獻

[1]智能家庭服務機器人設計[J].李欣原，聶子杰.2021（02）

[2]賈寧.基于雙目視覺的家庭機器人的目標識別與檢測[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（23）

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（項目號 202010201032）資助項