基于Gene8310的嵌入式家庭服务机器人系统设计

1 引言

家庭服务机器人是机器人的发展方向，是我国进一步加强机器人技术研究的突破口。家庭服务机器人旨在将家庭成员从家居的繁琐家务中解放出来，给家庭成员提供帮助、娱乐等。

本文介绍的家庭服务机器人如图1所示。机器人身高140cm，行走驱动方式采取轮式差动驱动。胳膊是模拟肩关节、肘关节的三自由度结构，采用伺服电机作为关节执行机构。机器人上面安装了摄像头、麦克风接口、触摸液晶屏、超声波

传感器。可以与家庭成员完成人机交互，回答家庭成员的提问问题。

本文设计的家庭服务机器人是基于Gene8310的嵌入式设备，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，本系统具有良好的稳定性、使用性和可操作性，可以实现家庭服务机器人的各项工作要求。

Gene8310是Intel推出的一款嵌入式设备，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。

Gene8310嵌入式主板尺寸长146mm宽101.6mm，内置Intel Celeron处理器主频600MHz，最大可支持1GB的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。

2 系统设计

2.1 整体系统设计

本文系统设计如图2所示。

针对家庭服务机器人的任务要求，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。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操作系统下面的基于VC的程序；无线通讯系统是基于Q2501B的GPRS通讯模块；动作控制是基于PIC16F877A的7自由度伺服电机的控制；行走控制是双行走轮差动控制的驱动方式。

2.2 动作控制系统设计

家庭服务机器人的动作主要是让机器人模拟人的手臂关节，以便机器人实现人的一些动作，本论文设计的机器人手臂有三个自由度，分别模拟人体的肩关节、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的组合，可以实现握手、挥手、招手等动作，两个手臂的组合又可以实现鼓掌、拥抱等人的基本动作。

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的是双行走轮差动控制的驱动方式，机器人的模型如图3所示。这里我们假定机器人和地面之间是纯滚动的，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点的参考坐标；θ为机器人中心O点的运动方向角；ν为机器人中心O点的速度；ω为机器人差动转向的角速度。

根据上述数学模型，结合机器人的结构特点，把机器人的运动简化为与地面接触的两点运动，两点的位置决定了机器人的位置，两点的运动状态决定了机器人的运动状态。图3中XOY为全局坐标系，xoy为机器人坐标系，O为速度瞬心。

在此，把前进的方向作为正方向，把后退的方向作为负方向，统一起来分析，设在某一时刻，左、右行走轮的速度为vL 、vR ，左、右行走轮角速度为ωL、ωR ，在很短的时间间隔Δt 内，机器人的方向和线速度可以近似认为不改变。两行走轮与地面接触点之间的距离（即机器人两行走轮的跨距）为l。

在行走过程中，主控制系统把规划好的路径转变成随时间变化的两个独立驱动轮的角速度的控制，通过驱动器和电动机，分别去驱动两个驱动轮，两个驱动轮的角速度都要根据规划路径的变化而变化。当家庭成员发出指令让机器人去指定地点的时候，机器人根据事先规划好的路径自主到达指定的目的地。

3 无线通讯

家庭服务机器人的无线通讯指的是人与机器人的远程通讯，最好利用现有的家庭成员的物件稍加改进皆可以实现对服务机器人的操作。本设计基于当前比较普及的手机短信来实现对机器人的远程通讯，在机器人控制系统上加一个手机模块，然后通过家庭成员的手机发短信来控制机器人。

本设计采用的GPRS模块为wavecom公司的Q2501B，可以快速、安全、可靠的实现数据通信、语音传输、短消息服务，拥有Open AT指令接口，支持文本和PDU模式的短消息，可以方便的通过串口发送AT指令来操作，值得一提的是，Q2501B模块内部还集成了一个GPS模块，定位精度3m。可以方便的将机器人的位置信息通过短消息传送给终端。

机器人的远程遥控主要是通过手机短信的方式实现的，在外的家庭成员通过自己的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的动作，如图4所示。

4 人机交互

家庭服务机器人的人机交互包括家庭成员对机器人的命令以及机器人对家庭成员的反溃本设计中的是实