基于Gene8310的嵌入式家庭服務機器人

摘  要：為了實現智能家庭服務機器人之人臉跟蹤、語音識別、自主移動、動作響應、遠程遙控等功能，采用了基于Gene8310之嵌入式設備系統，對家庭服務機器人進行整體設計，在硬件上外擴相應之通訊、傳感、驅動等系統，在軟件上引入人臉跟蹤，語音識別技術，實現了機器人與人之和諧交互。陽光電子學校維修專家分析認為：實踐證明該系統具有較好之實時性和魯棒性。陽光電子學校維修專家分析認為：

關鍵詞：Gene8310 家庭服務機器人 嵌入式系統

1 引言

　　家庭服務機器人是機器人之發展方向，是我國進一步加強機器人技術研究之突破口。陽光電子學校維修專家分析認為：家庭服務機器人旨在將家庭成員從家居之繁瑣家務中解放出來，給家庭成員提供幫助、娛樂等。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　本文介紹之家庭服務機器人如圖1所示。陽光電子學校維修專家分析認為：機器人身高140cm，行走驅動方式采取輪式差動驅動。陽光電子學校維修專家分析認為：胳膊是模擬肩關節、肘關節之三自由度結構，采用伺服電機作為關節執行機構。陽光電子學校維修專家分析認為：機器人上面安裝了攝像頭、麥克風接口、觸摸液晶屏、超聲波

圖1 家庭服務機器人實物圖

　　傳感器。陽光電子學校維修專家分析認為：可以與家庭成員完成人機交互，回答家庭成員之提問問題。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　本文設計之家庭服務機器人是基于Gene8310之嵌入式設備，在此基礎上實現了自主移動、動作表演、人臉跟蹤、語音交互、遠程遙控等功能，測試表明，本系統具有良好之穩定性、使用性和可操作性，可以實現家庭服務機器人之各項工作要求。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　Gene8310是Intel推出之一款嵌入式設備，具有體積小巧，工作穩定，可擴展性強等特性，支持單5V供電工作。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　Gene8310嵌入式主板尺寸長146mm寬101.6mm，內置Intel Celeron處理器主頻600MHz， 大可支持1GB之SODIMM內存插槽，配有CF卡插槽，硬盤接口，PS2接口、4個USB2.0接口，2個RS232接口，音頻輸入輸出接口，可接CRT/LCD顯示器。陽光電子學校維修專家分析認為：

2 系統設計

　　2.1 整體系統設計

　　本文系統設計如圖2所示。陽光電子學校維修專家分析認為：

圖2 機器人控制系統設計框圖

　　針對家庭服務機器人之任務要求，將機器人控制系統分成以下模塊：嵌入式系統、攝像頭、揚聲器、麥克風、人臉跟蹤系統、語音識別系統、無線通訊系統等。陽光電子學校維修專家分析認為：嵌入式系統采用Gene8310微型主板作為硬件平臺，運行Windows操作系統;人臉跟蹤系統、語音識別系統是運行在Windows操作系統下面之基于VC之程序;無線通訊系統是基于Q2501B之GPRS通訊模塊;動作控制是基于PIC16F877A之7自由度伺服電機之控制;行走控制是雙行走輪差動控制之驅動方式。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　2.2 動作控制系統設計

　　家庭服務機器人之動作主要是讓機器人模擬人之手臂關節，以便機器人實現人之一些動作，本論文設計之機器人手臂有三個自由度，分別模擬人體之肩關節、肘關節，可以實現抬臂、彎臂、擺臂等動作，一個手臂三個自由度之組合，可以實現握手、揮手、招手等動作，兩個手臂之組合又可以實現鼓掌、擁抱等人之基本動作。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　2.3 行走控制系統設計

　　家庭服務機器人行走控制系統采用之是雙行走輪差動控制之驅動方式，機器人之模型如圖3所示。陽光電子學校維修專家分析認為：這里我們假定機器人和地面之間是純滾動之，行走輪只旋轉不打滑，得到運動學模型公式：

　　式中： （x, y）為機器人中心O點之參考坐標;θ為機器人中心O點之運動方向角;ν為機器人中心O點之速度;ω為機器人差動轉向之角速度。陽光電子學校維修專家分析認為：　根據上述數學模型，結合機器人之結構特點，把機器人之運動簡化為與地面接觸之兩點運動，兩點之位置決定了機器人之位置，兩點之運動狀態決定了機器人之運動狀態。陽光電子學校維修專家分析認為：圖3中XOY為全局坐標系，xoy為機器人坐標系，O為速度瞬心。陽光電子學校維修專家分析認為：

圖3 家庭服務機器人行走控制

　　在此，把前進之方向作為正方向，把后退之方向作為負方向，統一起來分析，設在某一時刻，左、右行走輪之速度為vL 、vR ，左、右行走輪角速度為ωL、ωR ，在很短之時間間隔Δt 內，機器人之方向和線速度可以近似認為不改變。陽光電子學校維修專家分析認為：兩行走輪與地面接觸點之間之距離（即機器人兩行走輪之跨距）為l。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　在行走過程中，主控制系統把規劃好之路徑轉變成隨時間變化之兩個獨立驅動輪之角速度之控制，通過驅動器和電動機，分別去驅動兩個驅動輪，兩個驅動輪之角速度都要根據規劃路徑之變化而變化。陽光電子學校維修專家分析認為：當家庭成員發出指令讓機器人去指定地點之時候，機器人根據事先規劃好之路徑自主到達指定之目之地。陽光電子學校維修專家分析認為：

3 無線通訊

　　家庭服務機器人之無線通訊指之是人與機器人之遠程通訊， 好利用現有之家庭成員之物件稍加改進皆可以實現對服務機器人之操作。陽光電子學校維修專家分析認為：本設計基于當前比較普及之手機短信來實現對機器人之遠程通訊，在機器人控制系統上加一個手機模塊，然后通過家庭成員之手機發短信來控制機器人。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　本設計采用之GPRS模塊為wavecom公司之Q2501B，可以快速、安全、可靠之實現數據通信、語音傳輸、短消息服務，擁有Open AT指令接口，支持文本和PDU模式之短消息，可以方便之通過串口發送AT指令來操作，值得一提之是，Q2501B模塊內部還集成了一個GPS模塊，定位精度3m。陽光電子學校維修專家分析認為：可以方便之將機器人之位置信息通過短消息傳送給終端。陽光電子學校維修專家分析認為：

　　機器人之遠程遙控主要是通過手機短信之方式實現之，在外之家庭成員通過自己之手機給智能家庭服務機器人發送控制指令，機器人收到控制指令執行相應之動作，如圖4所示。陽光電子學校維修專家分析認為：

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