基于Gene8310的嵌入式家庭服务机器人

摘  要：为了实现智能家庭服务机器人之人脸跟踪、语音识别、自主移动、动作响应、远程遥控等功能，采用了基于Gene8310之嵌入式设备系统，对家庭服务机器人进行整体设计，在硬件上外扩相应之通讯、传感、驱动等系统，在软件上引入人脸跟踪，语音识别技术，实现了机器人与人之和谐交互。阳光电子学校维修专家分析认为：实践证明该系统具有较好之实时性和鲁棒性。阳光电子学校维修专家分析认为：

关键词：Gene8310 家庭服务机器人 嵌入式系统

1 引言

　　家庭服务机器人是机器人之发展方向，是我国进一步加强机器人技术研究之突破口。阳光电子学校维修专家分析认为：家庭服务机器人旨在将家庭成员从家居之繁琐家务中解放出来，给家庭成员提供帮助、娱乐等。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　本文介绍之家庭服务机器人如图1所示。阳光电子学校维修专家分析认为：机器人身高140cm，行走驱动方式采取轮式差动驱动。阳光电子学校维修专家分析认为：胳膊是模拟肩关节、肘关节之三自由度结构，采用伺服电机作为关节执行机构。阳光电子学校维修专家分析认为：机器人上面安装了摄像头、麦克风接口、触摸液晶屏、超声波

图1 家庭服务机器人实物图

　　传感器。阳光电子学校维修专家分析认为：可以与家庭成员完成人机交互，回答家庭成员之提问问题。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　本文设计之家庭服务机器人是基于Gene8310之嵌入式设备，在此基础上实现了自主移动、动作表演、人脸跟踪、语音交互、远程遥控等功能，测试表明，本系统具有良好之稳定性、使用性和可操作性，可以实现家庭服务机器人之各项工作要求。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　Gene8310是Intel推出之一款嵌入式设备，具有体积小巧，工作稳定，可扩展性强等特性，支持单5V供电工作。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　Gene8310嵌入式主板尺寸长146mm宽101.6mm，内置Intel Celeron处理器主频600MHz， 大可支持1GB之SODIMM内存插槽，配有CF卡插槽，硬盘接口，PS2接口、4个USB2.0接口，2个RS232接口，音频输入输出接口，可接CRT/LCD显示器。阳光电子学校维修专家分析认为：

2 系统设计

　　2.1 整体系统设计

　　本文系统设计如图2所示。阳光电子学校维修专家分析认为：

图2 机器人控制系统设计框图

　　针对家庭服务机器人之任务要求，将机器人控制系统分成以下模块：嵌入式系统、摄像头、扬声器、麦克风、人脸跟踪系统、语音识别系统、无线通讯系统等。阳光电子学校维修专家分析认为：嵌入式系统采用Gene8310微型主板作为硬件平台，运行Windows操作系统;人脸跟踪系统、语音识别系统是运行在Windows操作系统下面之基于VC之程序;无线通讯系统是基于Q2501B之GPRS通讯模块;动作控制是基于PIC16F877A之7自由度伺服电机之控制;行走控制是双行走轮差动控制之驱动方式。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　2.2 动作控制系统设计

　　家庭服务机器人之动作主要是让机器人模拟人之手臂关节，以便机器人实现人之一些动作，本论文设计之机器人手臂有三个自由度，分别模拟人体之肩关节、肘关节，可以实现抬臂、弯臂、摆臂等动作，一个手臂三个自由度之组合，可以实现握手、挥手、招手等动作，两个手臂之组合又可以实现鼓掌、拥抱等人之基本动作。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　2.3 行走控制系统设计

　　家庭服务机器人行走控制系统采用之是双行走轮差动控制之驱动方式，机器人之模型如图3所示。阳光电子学校维修专家分析认为：这里我们假定机器人和地面之间是纯滚动之，行走轮只旋转不打滑，得到运动学模型公式：

　　式中： （x, y）为机器人中心O点之参考坐标;θ为机器人中心O点之运动方向角;ν为机器人中心O点之速度;ω为机器人差动转向之角速度。阳光电子学校维修专家分析认为：　根据上述数学模型，结合机器人之结构特点，把机器人之运动简化为与地面接触之两点运动，两点之位置决定了机器人之位置，两点之运动状态决定了机器人之运动状态。阳光电子学校维修专家分析认为：图3中XOY为全局坐标系，xoy为机器人坐标系，O为速度瞬心。阳光电子学校维修专家分析认为：

图3 家庭服务机器人行走控制

　　在此，把前进之方向作为正方向，把后退之方向作为负方向，统一起来分析，设在某一时刻，左、右行走轮之速度为vL 、vR ，左、右行走轮角速度为ωL、ωR ，在很短之时间间隔Δt 内，机器人之方向和线速度可以近似认为不改变。阳光电子学校维修专家分析认为：两行走轮与地面接触点之间之距离（即机器人两行走轮之跨距）为l。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　在行走过程中，主控制系统把规划好之路径转变成随时间变化之两个独立驱动轮之角速度之控制，通过驱动器和电动机，分别去驱动两个驱动轮，两个驱动轮之角速度都要根据规划路径之变化而变化。阳光电子学校维修专家分析认为：当家庭成员发出指令让机器人去指定地点之时候，机器人根据事先规划好之路径自主到达指定之目之地。阳光电子学校维修专家分析认为：

3 无线通讯

　　家庭服务机器人之无线通讯指之是人与机器人之远程通讯， 好利用现有之家庭成员之物件稍加改进皆可以实现对服务机器人之操作。阳光电子学校维修专家分析认为：本设计基于当前比较普及之手机短信来实现对机器人之远程通讯，在机器人控制系统上加一个手机模块，然后通过家庭成员之手机发短信来控制机器人。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　本设计采用之GPRS模块为wavecom公司之Q2501B，可以快速、安全、可靠之实现数据通信、语音传输、短消息服务，拥有Open AT指令接口，支持文本和PDU模式之短消息，可以方便之通过串口发送AT指令来操作，值得一提之是，Q2501B模块内部还集成了一个GPS模块，定位精度3m。阳光电子学校维修专家分析认为：可以方便之将机器人之位置信息通过短消息传送给终端。阳光电子学校维修专家分析认为：

　　机器人之远程遥控主要是通过手机短信之方式实现之，在外之家庭成员通过自己之手机给智能家庭服务机器人发送控制指令，机器人收到控制指令执行相应之动作，如图4所示。阳光电子学校维修专家分析认为：

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