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残疾人助手智能机器人
08-29 陶海明 郭利根 指导教师 刘国平 教授
摘要：本文介绍了残疾人助手机器人的总体设计思想。整个系统采用模块化设计，分成机械与电控两个大部分，机械又分为底盘、升降和夹具三部分，电控分为主控，接口板，电机驱动器和传感器四个部分。最后讲述了本课项目的研究成果和创新点。 关键词：模块化；智能性；通用性
一、选题背景
目前，全世界60岁以上的老年人口已达到6亿左右，预计到2015年，60岁以上的人口将超过2亿，占总人口的14％，其中老年病患者约有50％需要护理服务。我国有各类残疾人约6千万，约占我国总人口的5％[1]。因此，我国合计需要进行护理的人口大约为1亿人。各类残疾人和长期卧床老年人的大量存在，使得助老助残问题正日益成为一个重大的社会问题。因此，研究一款可以帮助残疾人，老年人的科技产品，即有科研价值，也很有现实意义。
“亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛(简称ABU-Robocon)是由亚广联节目部发起的致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才的一项重要赛事。“亚太大学生机器人大赛”其宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发觉培养后备人才，激发大学生想象力，创造力，动手和动脑能力，将探索精神和创新思维付诸实践，推进机器人事业的普及和发展。
本项目成员都是南昌大学机器人队的成员，参加了两届亚机器人大赛国内选择活动。对于设计和制作机器人具有相当的经验与能力。我们目的是在现有参加亚太大学生机器人大赛国内选拔赛的机器人基础上，改进、研制智能助残机器人，探索机器人比赛与市场开发的衔接。
二、方案论述
残疾人助手机器人是为残疾人或老年人中行动不便的人设计的，帮助他们拿取物品。机器人工作于贴有白色路线环境的室内，用传感器检测白色，实现导航。机器人启动到达目的夹取残疾人所需物品后原来返回，将物品交给残疾人，一次任务完成。
三、研究方法
3.1总述
根据助残机器人的特点和功能，以及我们的经验，机器人采用模块化设计。机械与电子的设计都分别采用了模块化设计，并且最终集成到机器人总系统上，最终形成了助残机器人系统。模块化的设计有利于成本的降低，系统的修改升级和后来人的学习。
助残机器人的硬件由机械部分和电控部分组成。机械主要包括底盘部分、升降部分和夹持部分；电控主要包括主控板、接口板、电机驱动器、传感器（见图3-1）。
图3-1 机器人系统机构图
3.2机械结构
机械部分由底盘部分、升降部分和夹具部分组成。
底盘采用四轮方式[2]，前面是两个万向轮，用于辅助支持作用；而机器人的驱动与方向控制都是两后轮实现的，后轮转速可以由控制器分别控制，机器人就可以实现直线或拐弯等运动。
升降部分用电机提供动力，并且由履带将能量传递到夹具部分，实现夹具的升降。 夹具部分由拖把改进而成，用丝杆传递动力。
3.3 电子与控制系统
控制系统也模块化设计方式，并用分布式控制，各部分的连接采用I2C通信。当用户向机器人下达行动命令后，机器人就可以自动运行并完成任务。
机器人以ARM为主控板，并嵌入μC/OSⅡ操作系统，扩展接口板口、人机交互界面、传感器、电机驱动器等模块（见图3-2），它们之间的通信采用I2C通信、或其它通信方式。 3.3.1 电机控制
电机采用直流无刷电机，选用MD200BL-24V型驱动器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后作为反馈信号传递给闭环控制模块，闭环控制算法采用PID速度控制方式，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下能达到最大转矩，且具有欠压、过流、霍尔信号非法报警功能[3]。
通过DAC转换芯片TLV5618改变速度控制口SV端电压，
图3-2 控制系统机构图
TLV5618为带有缓冲基准输入的双路12位数模转换器，其输入量由SSP发送；使能、刹车、正反转、报警有GPIO口控制，只需改变GPIO的高低电平即可控实现相应功能。 3.3.2 导航系统
不同颜色的物体对可见光线反射程度不同,利用这一特性可以识别不同颜色的物体。正是基于该原理，设计了机器人的导航系统[4]。
将一束光照射到场地上，并用一个光敏三极管接收反射光，通过A/D采样，由于不同颜色地
面反射光的颜色与强度不同，所以采集到的A/D信号也有差异，用芯片处理就可以知道所在场地的颜色[3]。巡线与数线传感器都是采用这种方法设计的电路，其结构如图3-3所示。
导航系统，共集成了16路巡线采样通道和4路数线采样通道。将传感器按一定方式排列，采集的信号由AVR芯片初步处理后送入上位机（ARM芯片），上位机根据这些信息可以感知自身位置并对电机等其他模块进行控制。
另外，机器人还有人机界面、夹具控制等部分，限于篇幅，在此就不详细说明了。
图3-3 巡线和数线传感器框图
四、研究结果
机器人系统是集成机械、电子、计算机、材料等学科的综合性项目。然而，机器人又不将对各学科的简单叠加，而是系统的融合。这个过程是一个不断调试，不断改进的过程。最终，才能做成一个机构可靠，电控稳定，算法合理的机器人系统。在制作完成后，我们进行了：（1）灯板的测试，主要测试其工作范围，抗干扰能力；（2）电机的测试。电机是决定机器人行动能力的一个关键因素，它的稳定由机械的可靠，电控的稳定，合理的算法决定；（3）夹具的设计，夹具是本机器人的一个关键功能部分，由于夹具要达到可夹紧多种物品，又可以夹住，所以夹具要有一定柔性，而且装有行程开关或夹紧开关。
通过对各部分的分别调试和最后联调后，机器人现在可以完成的任务是：用户给机器人上电，按下“确定”按键后，机器人可以顺着预定路线行走到物品前，夹取物品，后沿原路返回，最终把物品送给用户。
五、创新点
机器人技术现在是国际的前沿研究技术之一。在众多学者的研究与实践下，现在助残机器人有很多种，根据各国的技术特点，机器人的外形与功能也略有差异。
本课所研究的残疾人助手智能机器人是由南昌大学本科生所设计制作的，具有成本低廉，技术门槛低，制作方便等特点。但又融合了一些较新的技术，比如ARM芯片，并嵌入μC/OSⅡ操作系统使机器人带有一定的智能性。而且这整个机器人系统由模块化设计，具有相对独立性、可互换、可通用的特点，非常适合用来学习机器人，且有很大的改进空间。
六、参考文献
[1] 徐方,张希伟等.我国家庭服务机器人产业发展现状调研报告[J].机器人技术与应
用,2009(2),14-19.
[2] 沈猛.轮式移动机器人导航控制与路径规划研究[D].西北工业大学博士学位论文,2006,3. [3] 深圳市美莱克科技有限公司．MD200BL-24V 型无刷电机驱动器说明书 [M] ． [4] 李朋喜. 基于RGB颜色传感器的植物颜色检测系统研究[D].河北农业大学.2009.6.
本文来源：https://www.wddqxz.cn/dd2b2b7c2d3f5727a5e9856a561252d380eb201c.html
2022-05-17
