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在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技術(shù)語一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人問世已有幾十年，機(jī)器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。
關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式見表：
我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國的分類是一致的。
當(dāng)前各個(gè)國家對(duì)機(jī)器人技術(shù)都是非常的重視，人們生活對(duì)智能化要求的提高也促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，在這樣的背景下，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展可以說是一日千里，未來機(jī)器人將在以下技術(shù)的基礎(chǔ)上飛速發(fā)展。
人機(jī)交互技術(shù)
東芝在本周舉辦的 Cutting-EdgeIT& Electronics Comprehensive Exhibition （CEATEC）展會(huì)上發(fā)布了一款全新人形交互機(jī)器人，而其最大特色就是可以通過手語與人交流。
軟體機(jī)器人控制技術(shù)
機(jī)器人在大部分人眼里一直都是像擎天柱一樣的鋼筋鐵骨，不過事實(shí)并不總是這個(gè)樣子的。最近，來自美國普渡大學(xué)的研究人員就發(fā)明了一種由輕質(zhì)惰性泡沫材料 制成的軟體機(jī)器人，為了讓它像機(jī)器手臂一樣可以自由彎曲，研究人員還在在泡沫材料的表面覆蓋了一層特殊的“衣服”，而這層聚合物纖維在受熱的情況下可以自 由改變形狀和堅(jiān)硬度，作用就如同附著在骨骼上的肌肉一般。
液態(tài)金屬控制技術(shù)
科學(xué)家們使用鎵和銦合金合成液態(tài)金屬，形成一種固溶合金，在室溫下就可以成為液態(tài)，表面張力為每米500毫牛頓。這意味著，在不受外力情況下，當(dāng)這種合 金被放在平坦桌面上時(shí)會(huì)保持一個(gè)幾乎完美的圓球不變。當(dāng)通過少量電流刺激后，球體表面張力會(huì)降低，金屬會(huì)在桌面上伸展。這一過程是可逆的：如果電荷從負(fù)轉(zhuǎn) 正，液態(tài)金屬就會(huì)重新成為球狀。更改電壓大小還可以調(diào)整金屬表面張力和金屬塊粘度，從而令其變?yōu)椴煌Y(jié)構(gòu)。
機(jī)器人生物行走技術(shù)
新一代微型生物機(jī)器人能收縮肌肉。美國伊利諾斯大學(xué)厄本那香檳分校工程師展示了一類行走“生物機(jī)器人”（bio-bots ），由肌肉細(xì)胞推動(dòng)、電脈沖控制，研究人員能對(duì)其發(fā)號(hào)施令。相關(guān)論文在線發(fā)表于最近的美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上。
“不管你想制造任何種類的生物機(jī)器人，由細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的生物刺激都是一項(xiàng)基本要求?！必?fù)責(zé)這項(xiàng)研究的伊利諾斯大學(xué)厄本那香檳分校生物工程主管拉什德·巴什爾 說，“我們正在把工程原理與生物學(xué)整合在一起，設(shè)計(jì)開發(fā)生物機(jī)器人和用于環(huán)境、醫(yī)療方面的系統(tǒng)。生物學(xué)非常強(qiáng)大，如果我們能學(xué)習(xí)利用其優(yōu)勢，將帶來許多好 東西?！?/p>
機(jī)器人透視技術(shù)
據(jù)國外媒體報(bào)道，目前，美國加州大學(xué)最新研制一款具有“透視眼”能力的機(jī)器人，在兩個(gè)機(jī)器人之間釋放無線信號(hào)，通過測量信號(hào)強(qiáng)度的變化，將觀察發(fā)現(xiàn)墻壁內(nèi)部的物體。該技術(shù)可用于尋找困陷在建筑物中的傷員，或者監(jiān)控家中的老年人。
敏感觸控技術(shù)
不要以為機(jī)器人的敏感度很差。美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology， MIT ）視覺科學(xué)學(xué)科聯(lián)合波士頓東北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近日成功研制了一種觸覺傳感器GelSight ，比人類的手指更加靈活敏感。
此次麻省理工學(xué)院及東北大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“機(jī)器人手指傳感器”突破了此前機(jī)器人手部關(guān)節(jié)不靈敏等限制，甚至比人類手指更加靈活敏感，因此受到了各界矚目。該傳感器不是以機(jī)器來辨識(shí)觸覺，而是以3D視覺實(shí)時(shí)定位物體的方位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別和傳感。
機(jī)器人用可伸縮電線
日本綜合型化學(xué)企業(yè)旭化成將于9月1日發(fā)售可以像橡皮筋那樣伸縮的電線。《日本經(jīng)濟(jì)新聞》8月26日?qǐng)?bào)道說，通過在具有彈性的聚氨酯纖維（中國稱：氨 綸） 中以螺旋狀嵌入可通電的導(dǎo)線，使得電線可以伸縮，且不易出現(xiàn)松弛。與容易松弛的以往電線相比，自由自在的變形將成為可能。旭化成力爭將這種電線應(yīng)用于實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜動(dòng)作的擬人機(jī)器人和穿戴型輔助機(jī)器人。
以樹脂材料作為保護(hù)的一般電線在用于機(jī)器人時(shí)，在手腕做彎曲動(dòng)作等的情形下，容易形成松弛或纏繞。而旭化成開發(fā)的這種伸縮性電線將可以依照其實(shí)施的擬人動(dòng)作合理布線。
機(jī)器人可自行組隊(duì)技術(shù)
相信對(duì)于有密集恐懼癥的人來說，看到1000只排得密密麻麻的小機(jī)器人在桌面上一起移動(dòng)絕對(duì)不會(huì)感到好受。不過這仍無法阻礙哈佛大學(xué)的工程師們打造這樣 的系統(tǒng)。據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)使用了1000只組裝簡易的小型機(jī)器人，每個(gè)造價(jià)20美元。 據(jù)介紹，每組裝一個(gè)這樣的機(jī)器人需要5分鐘的時(shí)間，也就是，他們花費(fèi)了83多個(gè)小時(shí)完成了這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
造房子機(jī)器人：或成為未來主流
一個(gè)被稱為Minibuilders的全新3D打印建筑機(jī)器人套件，可以像建筑工人那樣3D打印出一間房屋，其快速、低價(jià)、安全讓建筑機(jī)器人將有可能成為下一代強(qiáng)大的建筑必備工具。
其運(yùn)作方式基本上和同類型的無人建筑機(jī)器人一樣，逐層澆筑流體建筑材料。但是它最大的不同，就是可以打印的建筑體積更大，而且設(shè)計(jì)方法也與眾不同。
這套系統(tǒng)的核心是一個(gè)龐大的主部件，有兩個(gè)裝有液化合成大理石的大型圓筒，大理石經(jīng)獨(dú)特的配方制成。氣胎注射筒會(huì)通過長長的管子推動(dòng)材料，那些管子將被 安置在一個(gè)建筑工地上，與三個(gè)敏捷的專業(yè)附屬機(jī)器人協(xié)同工作。有些研究人員會(huì)覺得自己就像是一個(gè)建筑師，把自己的建筑構(gòu)想通過一個(gè)巨大的獨(dú)立機(jī)器變成現(xiàn) 實(shí)，而Minibuilders的團(tuán)隊(duì)扮演角色就像是一個(gè)“包工頭”，在建設(shè)過程中“招募”各相關(guān)領(lǐng)域里的建筑專業(yè)資源。
????? 更多機(jī)器人技術(shù)資料，電路圖及DIY設(shè)計(jì)，可參見本期Designs of week——當(dāng)中國制造遇上機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)思維請(qǐng)跟上！
愛普生機(jī)械手簡介
精密組裝機(jī)器人： 在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下具備低殘留震動(dòng)及高精度，應(yīng)答時(shí)間短，動(dòng)作靈敏 應(yīng)答時(shí)間短，動(dòng)作靈敏，在3維狀態(tài)下仍然保證軌跡平滑精密。
圖象機(jī)器人： 通過機(jī)械手及攝像裝置的組合可以輕松地滿足多品種生產(chǎn)的需求， 滿足多品種生產(chǎn)的需求。
標(biāo)準(zhǔn)化解決方案簡述
給用戶的可行性分析方案樣例（以食品包裝方案為例）
系統(tǒng)整體描述
? 用戶需求：
– 自動(dòng)成品包裝，100~120袋/分鐘
– 包裝箱最大尺寸：535*380*287（綜合）
– 湯圓包裝袋最大重量：600克/袋*
– 裝箱方式：頂部裝入，每層4袋
– 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，產(chǎn)品更換時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換搬運(yùn)方式。
? EPSON 設(shè)計(jì)方案簡述：
– 系統(tǒng)分為3個(gè)主要部分：開箱機(jī)、成型機(jī)、機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)。
– 開箱機(jī)負(fù)責(zé)將包裝箱整形輸送到位。
– 成型機(jī)負(fù)責(zé)將流水線包裝袋分隔并固定在回轉(zhuǎn)臺(tái)上。
– 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將包裝袋搬運(yùn)裝入包裝箱（一次4袋）。
– 其他部分包括必要的輸送線、電控、人機(jī)界面、控制軟件等附件。
?
整形和成型機(jī)構(gòu)
機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)特性
? 機(jī)器人采用水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（SCARA），該機(jī)器人的特點(diǎn)是：
– 高速、高穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（對(duì)現(xiàn)場環(huán)境無特殊要求）
– 機(jī)械手剛性參數(shù)較高，遇工人誤操作不易損壞。
– 維護(hù)成本低（零備件壽命長，價(jià)格較便宜）
– 占地面積小，適合緊湊空間的生產(chǎn)。
– 最大載重量為6KG，可適應(yīng)未來產(chǎn)線湯圓包裝袋容量重量變化，無需重新
設(shè)計(jì)系統(tǒng)。甚至重新購買機(jī)器人。
– 運(yùn)動(dòng)范圍大：垂直方向行程330mm，大大降低了未來產(chǎn)品包裝箱變化時(shí)
對(duì)系統(tǒng)改造的難度和費(fèi)用。
– 運(yùn)動(dòng)范圍大：水平方向有效作業(yè)范圍最長可達(dá)到650mm半徑的扇形區(qū)域，大大降低了未來產(chǎn)品包裝箱和產(chǎn)線位置調(diào)整時(shí)對(duì)系統(tǒng)改造的難度和費(fèi)用。
? 控制器采用EPSON獨(dú)有的小型緊湊型控制器，該控制器的特點(diǎn)是：
– 緊湊型設(shè)計(jì)，不占過多空間。
– 通訊接口豐富，可取代復(fù)雜的PLC系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
– 擴(kuò)展性強(qiáng)，未來系統(tǒng)再升級(jí)和改造時(shí)預(yù)留
主要技術(shù)指標(biāo)
1. 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)工作頻率：
? 取放100袋/分鐘
? 設(shè)計(jì)余量20%（即，可達(dá)到最大120袋/分鐘）
? 搬運(yùn)距離330mm
? 搬運(yùn)高度：300mm
? 最大搬運(yùn)重量6KG（含真空棘爪）
2. 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)抓取成功率
? 10‰（千分?jǐn)?shù)）
? 機(jī)器人系統(tǒng)可設(shè)計(jì)掉袋補(bǔ)償動(dòng)作
? 輸送線上設(shè)計(jì)掉袋回收路徑
3. 開箱機(jī)工作頻率：（24箱/分鐘）
? 開箱機(jī)的工作頻率可供2~3條線同時(shí)使用
4. 成型機(jī)工作頻率（30組/分鐘）
? 工作頻率匹配機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)和上工序頻率。
焊接是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工方式，同時(shí)由于焊接煙塵、弧光和金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境非常惡劣，隨著人工成本的逐步提升，以及人們對(duì)焊接質(zhì)量的精益求精，焊接機(jī)器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
機(jī)器人在焊裝生產(chǎn)線中運(yùn)用的特點(diǎn)
焊接機(jī)器人在高質(zhì)、高效的焊接生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，其主要特點(diǎn)如下：
1.性能穩(wěn)定、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，保證其均一性
焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對(duì)焊接結(jié)果起決定性作用。人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長等都是變化的，很難做到質(zhì)量的均一性；采用 機(jī)器人焊接，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定。
2.改善了工人的勞動(dòng)條件
采用機(jī)器人焊接后，工人只需要裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等；點(diǎn)焊時(shí)，工人不再需要搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來。
3.提高勞動(dòng)生產(chǎn)率
機(jī)器人可一天24h連續(xù)生產(chǎn)，隨著高速、高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高地更加明顯。
4.產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量
機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。
5.可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，降低相應(yīng)的設(shè)備投資
可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是它可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。
一、FANUC控制系統(tǒng)概述
FANUC機(jī)器人主要應(yīng)用在奇瑞公司乘用車一廠和乘用車三廠的焊裝車間，是奇瑞最早引進(jìn)的焊接機(jī)器人，也是奇瑞公司最先用到具有附加軸的焊接機(jī)器人。
其控制系統(tǒng)采用32位CPU控制，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算和坐標(biāo)變換的運(yùn)算速度。采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)單元，同步控制6軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度大大提高， 最多可控制到21軸，進(jìn)一步改善了機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性。支持離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可通過離線編程軟件設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序?？刂破鲀?nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)集成 化，這種集成方式具有結(jié)構(gòu)簡單、整機(jī)價(jià)格便宜、易維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。
圖1 控制原理圖
二、FANUC控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
控制器是機(jī)器人的核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作操作、信號(hào)通訊、狀態(tài)監(jiān)控等功能。下面以FANUC—F-200iB為例，對(duì)其控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分的功能進(jìn)行分析：
1)電源供給單元
變壓器向電源分配單元輸入230V交流電，通過該單元的系統(tǒng)電源分配功能對(duì)控制箱內(nèi)部各工作板卡輸出210V交流電及±15V、+24V直流電。
2)安全保護(hù)回路
由變壓器直接向急停單元供電，并接入內(nèi)部各控制板卡形成保護(hù)回路，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電路保護(hù)。
3)伺服放大器
不僅提供伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和抱閘電源，并且與絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與主控機(jī)間采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)循環(huán)反饋。
4)輸入/輸出模塊
標(biāo)配為ModuleA/B，另外也可通過在擴(kuò)展槽安裝Profibus板、過程控制板與PLC及外圍設(shè)備進(jìn)行通訊。
5)主控單元
整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞部分，包括主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，負(fù)責(zé)控制器內(nèi)部及外圍設(shè)備的信號(hào)處理和交換。
6)急停電路板
用來對(duì)緊急停止系統(tǒng)、伺服放大器的電磁接觸器以及預(yù)備充電進(jìn)行控制。
7)示教器
包括機(jī)器人編程在內(nèi)的所有操作都能由該設(shè)備完成，控制器狀態(tài)和數(shù)據(jù)都顯示在示教盒的顯示器上。
圖2 控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)
三、 故障案例分析
機(jī)器人控制器斷電檢修后，對(duì)控制器送電，機(jī)器人報(bào)伺服故障，故障代碼為SERVO-062。對(duì)此故障進(jìn)行復(fù)位：按MENUS→SYSTEM→F1，［TYPE］→找 master/cal→F3，RES_PCA →F4，YES 后，機(jī)器人仍然報(bào)伺服故障。
1、故障分析和檢查：故障代碼SERVO-062的解釋為SERVO2 BZAL alarm（Group：%d Axis：%d），故障可能原因分析如下：
1） 機(jī)器人編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池?zé)o電或者已經(jīng)損壞：拆卸編碼器脈沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池安裝盒，電池盒內(nèi)裝有4節(jié)普通1.5V的1號(hào)干電池，對(duì)每節(jié)電池的電壓進(jìn)行 測量，均在1.4V以下，電池電壓明顯偏低，于是更換新電池，再次對(duì)故障進(jìn)行復(fù)位，機(jī)器人仍然報(bào)SERVO-062故障。
2） 控制器內(nèi)伺服放大器控制板壞：檢查伺服放大器LED“D7”上方的2個(gè)DC鏈路電壓檢測螺絲，確認(rèn)DC鏈路電壓。如果檢測到的DC鏈路電壓高于50V，就 可判斷伺服放大器控制板處于異常狀態(tài)。實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)DC鏈路電壓低于50V，所以初步判斷伺服放大器控制板處于正常狀態(tài)。 進(jìn)一步對(duì)伺服放大器控制板上P5V、P3.3V、SVEMG、OPEN的LED顏色進(jìn)行觀察，確認(rèn)電源電壓輸出正常，沒有外部緊急停止信號(hào)輸入，與機(jī)器人 主板通訊也正常，排除伺服放大器控制板損壞。
3） 線路損壞：對(duì)機(jī)器人控制器與機(jī)器人本體的外部電纜連線RM1、RP1進(jìn)行檢查，RM1為機(jī)器人伺服電機(jī)電源、抱閘控制線，RP1為機(jī)器人伺服電機(jī)編碼器信 號(hào)以及控制電源線路、末端執(zhí)行器線路、編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池線路等線路。拔掉插頭RP1，對(duì)端子5、6、18 用萬用表測量+5V、+24V控制電源均正常。接下來對(duì)編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池線路進(jìn)行檢查。機(jī)器人每個(gè)軸的伺服電機(jī)脈沖編碼器控制端由1-10個(gè)端子組 成，端子8、9、10為+5V電源，端子4、7為數(shù)據(jù)保持電池電源，端子5、6為反饋信號(hào)，端子3為接地，端子1、2空。拔掉M1電機(jī)的脈沖控制插頭 M1P，萬用表測量端子4、7，電壓為0，同樣的方法檢查M2~M7電機(jī)全部為0，由此可以判斷編碼器上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電池線路損壞。順著線路，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電源 雙絞線的一端插頭長期埋在積水中，線路已腐蝕嚴(yán)重。
2、故障處理：更換線路后復(fù)位，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行全軸零點(diǎn)復(fù)歸“ZERO POSITION MASTER”，導(dǎo)入備份程序后恢復(fù)正常，故障排除。
結(jié)論
做為日系機(jī)器人的主要品牌之一，其在控制原理上與其它品牌機(jī)器人大致相同，但其控制部分組成結(jié)構(gòu)有著自己的風(fēng)格，體現(xiàn)亞洲人的使用習(xí)慣，比較適合國內(nèi)使 用。我國焊接機(jī)器人技術(shù)的研究應(yīng)用雖然較晚，但借鑒于國外的成熟技術(shù)，得到了迅速的發(fā)展。09年我公司與哈工大合作開發(fā)的奇哈機(jī)器人誕生，似乎看到了企業(yè) 與科研合作的力量，覺得當(dāng)企業(yè)進(jìn)入的時(shí)候，特別是這種應(yīng)用型企業(yè)開始參與設(shè)備的研究的時(shí)候，門就慢慢打開了。但焊接機(jī)器人是個(gè)機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單 靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。
1 引言
在信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)，通訊、消費(fèi)電子三種技術(shù)合一的后PC的 時(shí)代，雖然計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到日常生活的每一個(gè)角落，但各種各樣的新型嵌入式接入設(shè)備已經(jīng)成為當(dāng)前的主流產(chǎn)品。任何一個(gè)普通人都可能擁有幾十種嵌 入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，小到手表、手機(jī)、mp3播放器、PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到智能家電、網(wǎng)絡(luò)家電、車載電子設(shè)備等都離不開嵌入式技術(shù)。作為嵌入式技 術(shù)的一個(gè)重要的研究分支——機(jī)器人技術(shù)，目前在國內(nèi)外研究的如火如荼，各種各樣的工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)開始應(yīng)用到人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，使用機(jī)器人 的優(yōu)勢已經(jīng)被人們廣泛認(rèn)可，并正在成為我們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹囊徊糠帧１疚睦肁T89S52設(shè)計(jì)了一種嵌入式智能尋跡機(jī)器人，在傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和軟件的 控制下，能夠智能地完成迷宮行走路線探測的任務(wù)，與傳統(tǒng)的遙控玩具車相比，具有一定的獨(dú)立性和智能性，是未來智能玩具車的一種雛形。
嵌入式智能尋跡機(jī)器人的硬件架構(gòu)如圖1。以單片機(jī)AT89S52為核心，外圍由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)電源模塊、主板電源模塊、通訊模塊、回避障礙模塊以及 在線編程模塊等組成。紅外光電傳感器通過主板的P8、P9、P10接口連接到 AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口，其中P0.5 = 0，表示前方有障礙；P0.6 = 0 ，表示左方有障礙； P0.7=0，表示右方有障礙。左右電機(jī)通過主板的P5接口，連接到主板電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。
上電后，通過傳感器采集迷宮擋板的信號(hào)來控制端口P0的低五位，實(shí)現(xiàn)左右電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器人做左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直線前進(jìn)等動(dòng)作，完成在迷宮中從入口到出口的行進(jìn)過程。
3 系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)
3.1 微控制器模塊
AT89S52是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)有8KB ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)， 芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。
AT89S52有40個(gè)引腳，片內(nèi)有8KB Flash程序存儲(chǔ)器，256B的RAM，32個(gè)外部雙向輸入/輸出口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2層中斷嵌套，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等。
在開發(fā)過程中使用開發(fā)板，以方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機(jī)從開發(fā)板上取下，安裝在機(jī)器人系統(tǒng)板的單片機(jī)座中，由于設(shè)計(jì)中的機(jī) 器人需要完成的任務(wù)比較簡單，因此只在機(jī)器人系統(tǒng)板的單片機(jī)系統(tǒng)中保留了晶振和復(fù)位電路，取消了JTAG編程口等冗余電路。
3.2 傳感器模塊
光電傳感器的工作原理是傳感器紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，接收管根據(jù)反射回來的紅外光強(qiáng)度大小來計(jì)數(shù)的，故被檢測的部件或物體表面必須有黑白相間的部位用 于吸收和反射紅外光，這樣接收管才能處于有效的截止和飽和區(qū)以達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。傳感器的檢測與調(diào)節(jié)電路如圖2所示。圖中的R3用于調(diào)節(jié)比較器的門限電壓， 經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當(dāng)規(guī)則，可以直接供單片機(jī)查詢使用，而且經(jīng)驗(yàn)證給此電路供電的電池壓降較小。紅外光電傳感器通過主板P8、P9、P10接口連接 到AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口。其中P0.5 = 0，表示前方有障礙；P0.6 = 0 ，表示左方有障礙； P0.7=0，表示右方有障礙。
3.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與電源模塊
直流電機(jī)通過主板的P5接口連接到主板的驅(qū)動(dòng)模塊上。本文采用L298作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，L298的5、7、10、12四個(gè)引腳連接到單片機(jī)上，通過 對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩組直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)等功能。由于單片機(jī)的電壓在4.8V左右，故采用VFM升壓型電源芯片，為單片機(jī)及外圍電路提供5V左右的 電壓。
4 軟件設(shè)計(jì)模塊
4.1 軟件開發(fā)環(huán)境與搜索算法
本文采用Keil U Version2 作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，在程序設(shè)計(jì)中采用C語言和匯編語言混合編程。在軟件算法上，考慮到深度優(yōu)先搜索算法的時(shí)空效率和迷宮地形的復(fù)雜程度成正比，即迷宮越 復(fù)雜，搜索出口的時(shí)間就越長。本文采用了一種稱為左手（或右手）法則的迷宮路徑搜索策略，即在迷宮中一直沿著左側(cè)（或右側(cè)）的墻尋找，就可以找到出口。
相對(duì)于深度優(yōu)先搜索法，左手（或右手）法則的空間占用與迷宮復(fù)雜程度無關(guān)，機(jī)器人搜索路徑的選擇只與當(dāng)前結(jié)點(diǎn)有關(guān)，不需要回溯。同時(shí)，硬件的制造精度要求不高，不需要精確的控制機(jī)器人的移動(dòng)距離和移動(dòng)方向，方便了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。為便于算法的實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)定了如下約束條件：
1.在算法中不管迷宮地形有多么復(fù)雜，均由直線、死路、丁字形、十字形、轉(zhuǎn)角形和終點(diǎn)七個(gè)基本地形構(gòu)成。
2.按分岔的多少將分岔口分為二岔口和三岔口（一般沒有四岔口），而將分岔口前面的岔路按從右到左的順序分別稱為第一岔路、第二岔路、第三岔路（十字型 才有）。二岔路有三種不同的形式，第一種是前進(jìn)的路線右邊出現(xiàn)一條岔路（右邊的岔路稱為第一岔路、前方稱為第二岔路）；第二種是在前進(jìn)的路線左邊出現(xiàn)一條 岔路（前方稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路）；第三種是丁字路口（右邊的岔路稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路）。對(duì)于這三種情況，算法對(duì)應(yīng)的 程序由主程序、走直線子程序、左轉(zhuǎn)子程序、右轉(zhuǎn)子程序和校正子程序組成。主程序起到導(dǎo)向和決策的功能，決定機(jī)器人什么時(shí)候該做什么。機(jī)器人的其他功能通過 調(diào)用具體的子程序來實(shí)現(xiàn)。
4.2 算法流程圖描述
本文所采用的迷宮搜索算法流程 如圖3所示。接通電機(jī)和傳感器電源后，單片機(jī)在程序的控制下，根據(jù)傳感器檢測到的值，決定電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當(dāng) P0.7=1時(shí)，表示左方?jīng)]有障礙物，依據(jù)“右手”遍歷算法，機(jī)器人將調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序；當(dāng)P0.7=0并且P0.5=0時(shí)，機(jī)器人將調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序；否則 機(jī)器人直線前進(jìn)，如此反復(fù)檢測并調(diào)整機(jī)器人的動(dòng)作，直至機(jī)器人走出迷宮為止。
5 結(jié)論及其創(chuàng)新點(diǎn)
本文對(duì)基于AT89S52的嵌入式智能尋跡機(jī)器人的硬件架構(gòu)進(jìn)行了探討，將左手（或右手）法則用于尋跡機(jī)器人行走路線搜索，重點(diǎn)討論了基于 AT89S52的光電傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等的電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)，經(jīng)過反復(fù)測試，機(jī)器人能夠在軟件的控制下，無需任何外界力量就可以智能地 完成從迷宮入口走到出口的尋跡任務(wù)。創(chuàng)新點(diǎn)在于通過光電傳感器自動(dòng)感知障礙物，并利用軟件控制機(jī)器人左/右轉(zhuǎn)以及直線行走，對(duì)復(fù)雜路徑探測是一種嘗試，特 別適合人無法到達(dá)的環(huán)境路徑探測，系統(tǒng)成本低，可靠性高，反應(yīng)靈敏，對(duì)智能玩具的設(shè)計(jì)與開發(fā)也具有一定的參考價(jià)值。
一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述
清潔機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，所謂服務(wù)機(jī)器人是指自主 或半自主的、從事非生產(chǎn)活動(dòng)、能完成有益于人類健康的服務(wù)工作的機(jī)器人。家庭清潔機(jī)器人集機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)器入技術(shù)、人工智能等諸多 學(xué)科為一體，能夠自動(dòng)進(jìn)行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達(dá)國家的很多公共場合已經(jīng)開始使用清潔機(jī)器人，隨著清潔機(jī)器人性價(jià)比的提高，清潔機(jī)器人進(jìn)入家 庭成為可能。
二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理
2.1、原理概述
清潔機(jī)器人需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動(dòng)清潔地面。工作時(shí)，利用各種傳感器測得環(huán)境信息，并做出決策，實(shí)現(xiàn)邊行走邊打掃，完成預(yù)定的任務(wù)。典型的清潔機(jī)器人主要由以下幾個(gè)模塊組成：
?。?）信息采集模塊
（2）決策模塊
?。?）運(yùn)動(dòng)控制模塊
?。?）清掃模塊
這四個(gè)部分構(gòu)成了完整的清潔機(jī)器人系統(tǒng)，如圖2-1所示。信息采集模塊返回當(dāng)前清潔機(jī)器人的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信 息送給決策模塊進(jìn)行決策，控制運(yùn)動(dòng)控制模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)讓清掃模塊進(jìn)行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。
圖2-1清潔機(jī)器人系統(tǒng)典型組成示意圖
2.2、硬件設(shè)計(jì)原理
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人本體的良好設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人采用三輪機(jī)構(gòu)的車體，兩個(gè)動(dòng)力輪，一個(gè)萬向輪，具有運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡單的優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對(duì)較 高，但步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控制上比較復(fù)雜：履帶移動(dòng)方式將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸，履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪 式大，所以著地壓強(qiáng)小，適于爬坡或者不平的地面；輪式移動(dòng)方式是最常見的一種地面行進(jìn)方式，其特點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡 單，但不能爬坡。本設(shè)計(jì)中清潔機(jī)器人只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動(dòng)方式。
超聲波傳感器需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設(shè)計(jì)中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進(jìn)而固定在底盤上。機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，主要是對(duì)要前行的路探測是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車身的最前端。
本系統(tǒng)選用雙軸HC02-48強(qiáng)磁電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無抖動(dòng)。扭力強(qiáng)勁130強(qiáng)磁直流減速電機(jī)，扭力為普通電機(jī)的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車最佳比速，速度與力量完美組合。
清掃機(jī)器人的吸塵技術(shù)有兩類：真空吸塵器和氣流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī) 體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。氣流濾塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機(jī)內(nèi)氣體排除，其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi) 的渦流腔內(nèi)。
硬件電路設(shè)計(jì)
根據(jù)清潔機(jī)器人功能要求，清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、藍(lán)牙模塊。
本系統(tǒng)采用SLH89F5162作為核心控制芯片。采用了多種防破解技術(shù)。SLH89F5162單片機(jī)是一款功能比較強(qiáng)大的單片機(jī)，它擁有兩個(gè)全雙工串 行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機(jī)串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時(shí)器1作 為波特率發(fā)生器，也可以使用獨(dú)立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器；而串口2只能使用獨(dú)立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。SLH89F5162是高速/低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成3路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控 制，強(qiáng)干擾場合。SLH89F5162單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機(jī)各個(gè)I/O口的特性后。
硬件系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；復(fù)位電路，按鍵后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位：藍(lán)牙模塊，接收手機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)；超聲波模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)測距以躲避障礙物；驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。
軟件設(shè)計(jì)原理
本章主要進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成了底層軟件的編寫；同時(shí)，研究了清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了三種清掃模式的選擇；進(jìn)一步，研究了智能手機(jī)遙控在清潔機(jī)器人中的應(yīng)用。
清潔機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔任務(wù)時(shí)，需要完成如下幾個(gè)任務(wù)：（1）接收手機(jī)發(fā)出的控制命令；（2）手機(jī)控制行走；（3）自動(dòng)避障；（4）控制驅(qū)動(dòng)輪行走； （5）自動(dòng)清潔區(qū)域。其中接收手機(jī)發(fā)出的控制命令，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，需要中斷程序處理，其他傳感器信息采用查詢方式進(jìn)行處理。
本系 統(tǒng)將軟件分成以下幾個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：手機(jī)遙控模塊，用戶可以通過手機(jī)遙控的方式使機(jī)器人進(jìn)行清掃，方便使用，采用中斷服務(wù)子程序進(jìn)行處理；自動(dòng)避障模塊， 機(jī)器人在運(yùn)行過程中能自動(dòng)避障，同時(shí)完場清掃任務(wù)：自動(dòng)區(qū)域清掃模塊，機(jī)器人可以完成對(duì)某一區(qū)域的自動(dòng)清掃；電機(jī)控制模塊，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行 走；這些模塊各自封裝好，將封裝好函數(shù)接口留給主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。
程序初始化模塊主要包括：初始化串口、初始化定時(shí)器、開串口中斷、開定時(shí)器中斷、配置獨(dú)立波特率發(fā)生器等。工作過程可以分成兩個(gè)主要部分：檢測控制命令和實(shí)現(xiàn)清掃。
對(duì)于檢測控制命令，要求單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)手機(jī)發(fā)出的命令，由于是通過藍(lán)牙通訊，則需響應(yīng)藍(lán)牙通過串口接收到的數(shù)據(jù)，只需打開串口中斷即可。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)清掃，首先要選擇清潔模式，再根據(jù)不同的清潔的模式，對(duì)電機(jī)及超聲波模塊經(jīng)行相應(yīng)的控制。
三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖
硬件設(shè)計(jì)框圖
圖3-1硬件設(shè)計(jì)框圖
軟件設(shè)計(jì)框圖
圖3-2主程序流程圖
圖3-3藍(lán)牙模塊流程圖
圖3-4模式選擇流程圖
??????? 硬件電路圖
老人關(guān)懷照護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有居家的監(jiān)控功能及和家人互動(dòng)功能，透過網(wǎng)路服務(wù)，當(dāng)老人有照顧需求時(shí)，可利用手勢辨識(shí)功能呼叫機(jī)器人至身邊；當(dāng)想觀看親 友在臉書（Facebook）上的消息及圖片時(shí)，可利用臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)，即時(shí)得知親友最新動(dòng)態(tài)訊息，也可透過網(wǎng)路通話與遠(yuǎn)方的家人進(jìn)行視頻聊天；同時(shí)也可隨 時(shí)監(jiān)控，當(dāng)意外發(fā)生時(shí)可即時(shí)通知家人及醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。
該系統(tǒng)利用主系統(tǒng)芯片將Kinect所感測的骨架追蹤、手勢辨識(shí)及網(wǎng)路攝影的視頻通話等感測后存取數(shù)值，再利用串列傳輸（USART）傳送數(shù)值于主系統(tǒng)芯片，并做出距離等識(shí)別模式，進(jìn)行跟隨老人、控制馬達(dá)與老人互動(dòng)。
Kinect感測功能襄助 照護(hù)機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用擴(kuò)大
該系統(tǒng)創(chuàng)新性功能為跟隨看護(hù)模式--Kinect骨架追蹤和超音波定位、骨架判斷--跌倒偵測、緊急通知--簡訊傳送，以及互動(dòng)功能--手勢辨識(shí)和網(wǎng)路視頻（圖1）。
圖1 照護(hù)機(jī)器人理想互動(dòng)功能
在跟隨看護(hù)服務(wù)部分，該系統(tǒng)利用骨架追蹤及超音波定位，當(dāng)老人移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人便會(huì)跟隨至后方進(jìn)行照護(hù)，可隨時(shí)判定老人是否跌倒，操作起來也十分方便?，F(xiàn) 有的跌倒偵測系統(tǒng)大都依賴攝影機(jī)或是使用者身上配戴的器材來辨別跌倒，該系統(tǒng)的跌倒偵測只須透過Kinect骨架追蹤，即可判定是否跌倒。
至于緊急簡訊傳送部分，當(dāng)老人判定為跌倒時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)由主系統(tǒng)芯片發(fā)布簡訊至指定家人手機(jī)中，親人接收到消息后可立即做出反應(yīng)或視頻觀看。而臉書動(dòng) 態(tài)及互動(dòng)視頻服務(wù)部分，該系統(tǒng)加裝臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)及網(wǎng)路視頻，老人即可關(guān)心在外子女的圖片，并讓親友利用視頻互動(dòng)看見老人在家的狀況，能有效拉近老人與家人 的距離。
．跟隨看護(hù)服務(wù)
照護(hù)機(jī)器人主系統(tǒng)利用芯片與Kinect進(jìn)行老人互動(dòng)與 看護(hù)服務(wù)。智能型看護(hù)機(jī)器人可透過Kinect跟隨于老人后方隨時(shí)看護(hù)，利用Kinect本身的骨架識(shí)別，以判別正常狀況時(shí)的骨架數(shù)量與動(dòng)作。當(dāng)老人不慎 跌倒時(shí)，依骨架瞬間降下或消失為判別，再回傳數(shù)值訊號(hào)給主系統(tǒng)，可即時(shí)透過緊急簡訊功能送至子女的手機(jī)進(jìn)行通知，家人則可透過網(wǎng)路視頻進(jìn)行查看老人在家中 的狀況，以免錯(cuò)過時(shí)間就醫(yī)。
為即時(shí)反應(yīng)與傳送數(shù)值來跟隨與保障老人的安危，看護(hù)系統(tǒng)透過主系統(tǒng)芯片提供USART，即可直接利用 USART而不須再以串列周邊介面（SPI）進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作。跟隨方面，則運(yùn)用產(chǎn)生脈衝寬度調(diào)變（PWM）脈波來控制HB-25馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)， 由于控制波形即可正反轉(zhuǎn)，就能在主芯片應(yīng)用與結(jié)合出讓機(jī)器人前后左右的動(dòng)作與功能。
該系統(tǒng)還須使用PING超音波距離感應(yīng)器（圖2）來偵測距離，除應(yīng)用PWM來進(jìn)行聲波傳送與接收，也使用通用輸入/輸出來接收數(shù)值距離判斷與Kinect骨架等數(shù)值。
圖2 PING超音波距離感應(yīng)器
利用芯片使機(jī)器人進(jìn)行追蹤，由超音波偵測距離，讓主系統(tǒng)判斷老人的位置，并命令馬達(dá)動(dòng)作，使機(jī)器人能進(jìn)行跟隨，可隨時(shí)跟在老人的身邊，注意是否有突發(fā)狀況發(fā)生，揮揮手就能與家人視頻通話等功能。
PING超音波距離感應(yīng)器用于測量與物體間的距離，範(fàn)圍介于3cm？3.3m，容易裝置于機(jī)器人或自動(dòng)設(shè)備上。超音波感測器利用脈波產(chǎn)生，透過聲波喇叭 進(jìn)行一發(fā)一收的動(dòng)作來得到訊號(hào)的時(shí)間長短，也就是感測器發(fā)送訊號(hào)至物體而反射后所經(jīng)過的時(shí)間，在經(jīng)過運(yùn)算后即能得到精準(zhǔn)的距離。為實(shí)現(xiàn)追蹤功能，超音波定 位追蹤方法利用主系統(tǒng)芯片產(chǎn)生脈波與判斷，使超音波能自動(dòng)追隨物體，也更加穩(wěn)定照護(hù)功能。
為可負(fù)載生活必需品，因此行走動(dòng)力來源選擇扭 力較大的馬達(dá)（IG-30GM）做為驅(qū)動(dòng)，搭配耐高電流的12伏特（V）馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片（HB-25）來控制直流馬達(dá)，控制方式為脈波的寬度調(diào)變，控制兩顆 馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)、時(shí)間差和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù)，芯片扮演重要的行動(dòng)控制機(jī)能，車體的前進(jìn)、后煺、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。
．Kinect骨架判斷
Kinect透過鏡頭即時(shí)擷取使用者的動(dòng)作，之后并會(huì)接著解析相對(duì)應(yīng)的指令。透過內(nèi)建的紅外線VGA鏡頭發(fā)出主動(dòng)式雷射，在Kinect可掃描的範(fàn)圍內(nèi) 藉由雷射反射過程判斷使用者位置，當(dāng)使用者的身體部位識(shí)別完畢后，Kinect會(huì)將所擷取到的資料整理成一組骨架圖，藉此對(duì)應(yīng)于相關(guān)應(yīng)用。
使用Kinect本身的骨架辨識(shí)功能，能模擬出老人的骨架，讓主系統(tǒng)監(jiān)控骨架與動(dòng)作，判斷骨架是否出現(xiàn)或是下降；判斷特定動(dòng)作，啟動(dòng)特定的功能，如圖3為人體進(jìn)入Kinect範(fàn)圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)骨架識(shí)別，進(jìn)而做出不同指令動(dòng)作。
圖3 機(jī)器人動(dòng)作流程圖
．緊急簡訊傳送
當(dāng)老人發(fā)生跌倒時(shí)，主系統(tǒng)接受跌倒指令數(shù)值判斷出Kinect所勾勒出的骨架是否下降或消失，并透過緊急簡訊功能，立即發(fā)送簡訊至子女的手機(jī)進(jìn)行通知，家人在查看到簡訊后能立即開啟網(wǎng)路視頻服務(wù)，可于第一時(shí)間了解家中老人的狀況，并與老人進(jìn)行對(duì)話。
此外，簡訊功能可指定手機(jī)號(hào)碼，且更改緊急聯(lián)絡(luò)人十分方便。
．臉書動(dòng)態(tài)/互動(dòng)視頻服務(wù)
當(dāng)老人需要照護(hù)機(jī)器人進(jìn)行觀看在外子女的動(dòng)態(tài)或聯(lián)絡(luò)時(shí)，可透過手勢辨識(shí)，呼叫照護(hù)機(jī)器人過來至身旁，機(jī)器人可透過手勢動(dòng)作判別進(jìn)行臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)，可觀看子女在外打卡或上傳照片，也可利用網(wǎng)路攝影機(jī)及網(wǎng)路視頻功能與在遠(yuǎn)方子女進(jìn)行視頻對(duì)話，隨時(shí)知道彼此的消息。
執(zhí)行完整測試項(xiàng)目 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更安全老人照護(hù)
圖3為該系統(tǒng)的動(dòng)作流程圖，以微控制器（MCU）做為核心控制（圖4），進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算與即時(shí)反應(yīng)，利用微控制器的高運(yùn)算處理速度來即時(shí)完成所有數(shù)值接收與指令，讓機(jī)器人不會(huì)因延遲而導(dǎo)致行動(dòng)不順暢。
圖4 微控制器動(dòng)作方塊圖
主系統(tǒng)芯片還須與其他硬件結(jié)構(gòu)說明，以主系統(tǒng)芯片出發(fā)，達(dá)到所有模組相互結(jié)合的應(yīng)用，進(jìn)而完成智能型照護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在實(shí)作過程中須進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整與測試的項(xiàng)目，包括直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制、超音波定位角度追蹤、Kinect指令動(dòng)作方向和機(jī)器人追隨安全距離。
．直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制
為讓本系統(tǒng)達(dá)到行動(dòng)照護(hù)，所以直流馬達(dá)是必定需要的，并使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，控制起來只須調(diào)整脈衝寬度調(diào)變（PWM），以及馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)、時(shí)間差和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù)，就能讓照護(hù)機(jī)器人行動(dòng)起來更加順暢（圖5）。
圖5 直流馬達(dá)測試及建置
利用測試方法讓馬達(dá)得以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動(dòng)作，再將完成的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)置于該作品底座，裡頭包含自行設(shè)計(jì)的電路板、配置電源及最重要的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等。
．超音波定位角度追蹤
為能讓機(jī)器人能自動(dòng)追蹤人體，自行簡易設(shè)計(jì)出應(yīng)用叁個(gè)超音波判斷距離與方向，再與伺服器馬達(dá)結(jié)合而形成的角度追蹤，透過偵測叁種方向，馬達(dá)就能精準(zhǔn)追隨并停止。
．Kinect指令動(dòng)作方向
該系統(tǒng)結(jié)合Kinect進(jìn)行骨架與動(dòng)作偵測，手勢動(dòng)作則應(yīng)用于開啟臉書動(dòng)態(tài)服務(wù)于網(wǎng)路視頻功能，為方便開啟功能，進(jìn)而測試手勢不同方向與動(dòng)作。
．機(jī)器人追隨安全距離
為能讓跟隨老人并維持距離追蹤，以及Kinect角度偵判範(fàn)圍，測試不同距離來決定能最精準(zhǔn)且偵測到數(shù)值的車身與老人間距，分別測試50cm、80cm、100cm叁種不同距離。
圖6為該系統(tǒng)的正面擺設(shè)，其中包含筆記型電腦的放置，用來觀看視頻及骨架偵測觀察畫面。Kinect置于上方處，方便擷取整個(gè)骨架，并結(jié)合超音波進(jìn)行人體追蹤，置放叁顆以擴(kuò)大測量範(fàn)圍。
圖6 照護(hù)系統(tǒng)正面硬件裝置配置
藉由跟隨功能達(dá)到即時(shí)監(jiān)控，讓老人在家中能降低危險(xiǎn)發(fā)生，并利用本身置物柜以放取老人日常生活用品，達(dá)到即時(shí)拿取的便利性，以最人性化且智能的方式照顧好老人，未來也將會(huì)增加更多功能，來讓服務(wù)更加完善。
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