作者：李尚堰 陳慶達(dá) 王立寬 尹婕 張永俊
單位：哈爾濱劍橋?qū)W院
指導(dǎo)老師：馬文龍 韓軼男

一、設(shè)計背景

隨著計算機(jī)技術(shù)、信息通訊、大數(shù)據(jù)、智能傳感等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、融合以及在機(jī)器人領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢。為推進(jìn)我國服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，政府及有關(guān)部門相繼發(fā)布一系列政策，開展下一代機(jī)器人技術(shù)、智能機(jī)器人學(xué)習(xí)與認(rèn)知、智能家庭服務(wù)機(jī)器人、智能公共服務(wù)機(jī)器人實現(xiàn)批量生產(chǎn)及應(yīng)用，在很大程度上促進(jìn)了服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
? ?? ? 智能家居機(jī)器人是通過計算機(jī)、通信、控制，也就是4C技術(shù)建立家庭綜合服務(wù)于管理集成系統(tǒng)，機(jī)器人是IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制技術(shù)向居家生活滲透發(fā)展的必然結(jié)果。

二、市場調(diào)研

? 隨著人們收入水平的提高以及消費偏好的轉(zhuǎn)變，家庭服務(wù)機(jī)器人慢慢演變成大眾需求，以掃地機(jī)器人為代表的家庭服務(wù)機(jī)器人駛?cè)肓税l(fā)展的快車道。2017年中國家庭服務(wù)機(jī)器人銷售額55.7億元，2021年增至142.9億元，復(fù)合增長率26.6%。預(yù)計2023年家庭服務(wù)機(jī)器人零售額將達(dá)187億元。

三、主要技術(shù)

3.1 方案設(shè)計
? ?? ? 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本作品的目的在于提供一種家庭守護(hù)機(jī)器人，它可以通過四足-履帶的切換結(jié)構(gòu)，配合超聲波傳感器對障礙物進(jìn)行避障，搭配溫濕度、氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳎瑢彝セ鹪?，以及可燃?xì)怏w的泄露進(jìn)行實時檢測，同時配備樹莓派3B進(jìn)行人機(jī)語音交互，對家庭智能化進(jìn)行一系列的智能化操作以及方便性，為守護(hù)家庭保駕護(hù)航。
? ?? ? 具體功能：采用四足-履帶的驅(qū)動結(jié)構(gòu)對障礙物進(jìn)行避障，采用溫濕度傳感器將室內(nèi)溫度以及濕度實時顯示在led屏幕中，采用火焰?zhèn)鞲衅鳌怏w傳感器對室內(nèi)火源以及可燃?xì)怏w進(jìn)行實時檢測，并配合樹莓派3B進(jìn)行語音播報提醒。利用樹莓派接入AI百度云人工智能，以及科大訊飛進(jìn)行人機(jī)語言交互，方便獲取想要得到的信息，以及智能家居的控制更加的快捷方便。
3.2 控制系統(tǒng)
? ?? ? 采用arduino控制器控制全車的運動系統(tǒng)以及實現(xiàn)各種功能的傳感器，并且通過串口連接的方式接入人機(jī)交互模塊對家庭守護(hù)更加快捷、方便。
3.3 主體結(jié)構(gòu)

小車主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳感器模塊以及人機(jī)交互模塊構(gòu)成。
① 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

? ?? ? 全自動家庭守護(hù)機(jī)器人采用四足-履帶的行進(jìn)機(jī)構(gòu)，配合超聲波完成自主避障，對于較高的障礙物切換為履帶模式進(jìn)行避障，對于較低的障礙物切換為四足進(jìn)行跨越障。
② 傳感器模塊

? ?? ? 通過火焰?zhèn)鞲衅鲗κ覂?nèi)火源進(jìn)行檢測，確定火焰的方位，同時進(jìn)行語音提示，從而為滅火機(jī)構(gòu)提供滅火方位，實現(xiàn)在發(fā)生火災(zāi)時能夠及時自動滅火，從根源避免火災(zāi)的蔓延，減少火災(zāi)造成的生命財產(chǎn)損失。

? ?? ? 氣體傳感器，可以對室內(nèi)可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測，并及時進(jìn)行語音播報提醒，并可以通過樹莓派進(jìn)行人機(jī)交互，及其打開窗戶進(jìn)行通風(fēng)換氣， 實時保護(hù)了家庭人員的安全。

? ?? ? 溫濕度傳感器，可將室內(nèi)溫度以及濕度進(jìn)行檢測，并將溫度以及濕度顯示在屏幕中，以方便提醒室內(nèi)人員對室內(nèi)舒適環(huán)境的溫度以及濕度做出相應(yīng)的操作。

可通過led屏顯示當(dāng)前小車狀態(tài)和傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)。
③ 人機(jī)交互模塊

? ?? ? 人機(jī)交互模塊，是通過樹莓派3B、麥克風(fēng)以及擴(kuò)音器構(gòu)成。可通過人工智能語音進(jìn)行人機(jī)語言交互，可以在室內(nèi)出現(xiàn)事故時，通過喚醒機(jī)器人做出相應(yīng)的動作，極大的為家庭守護(hù)提供了便捷性，同時也為室內(nèi)活動增加了一份色彩。

四、創(chuàng)新亮點
本設(shè)計全自動家庭守護(hù)機(jī)器人，充分考慮到在家庭守護(hù)的穩(wěn)定性，采用多種解決辦法，能在較為復(fù)雜的地形中可靠的工作，具有良好的適應(yīng)性。綜合分析本次設(shè)計具有以下亮點：
① 四足-履帶行進(jìn)機(jī)構(gòu)
? ?? ? 機(jī)器人通過四足-履帶的行進(jìn)機(jī)構(gòu)，為適應(yīng)不同場地進(jìn)行避障以及跨越障礙，讓小車在復(fù)雜的環(huán)境中能更加穩(wěn)定的工作。履帶車形態(tài)在平坦或稍崎嶇的地貌上能夠保持較高的行進(jìn)速度，降低了四足爬行的功率消耗；四足形態(tài)用于跨越障礙，靈活應(yīng)對各類復(fù)雜地形環(huán)境，解決了履帶結(jié)構(gòu)應(yīng)對高度落差較大地形難以翻越的痛點，即實現(xiàn)了仿生四足與履帶式結(jié)構(gòu)雙優(yōu)勢結(jié)合的腿履協(xié)同。
② 傳感器模塊
? ?? ? 通過不同的傳感器模塊對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，為室內(nèi)守護(hù)進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)傳達(dá)以及提醒。
③ 人機(jī)交互模塊
? ?? ? 機(jī)器人搭配人工交互模塊，可方便迅速的對室內(nèi)守護(hù)進(jìn)行語音提示，并方便的做出應(yīng)對措施。

五、應(yīng)用前景
隨著時代的發(fā)展，我國消費者的消費觀念對包括服務(wù)機(jī)器人在內(nèi)的智能化產(chǎn)品需求也逐步增強(qiáng)。由于城市化帶來的快節(jié)奏生活導(dǎo)致消費者家務(wù)時間明顯減少，導(dǎo)致消費者對家務(wù)機(jī)器人購買需求呈現(xiàn)剛性化特征。
? ?? ? 隨著工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步帶動力服務(wù)機(jī)器人智能化程度的迅速提升，同時國內(nèi)智能手機(jī)滲透率較高，消費者使用智能手機(jī)作為移動終端遠(yuǎn)程遙控家庭服務(wù)機(jī)器人，提升了消費者的用戶體驗。綜上，居民可支配收入、消費觀念、城市化進(jìn)程、技術(shù)等多方面因素使得我國家庭服務(wù)機(jī)器人市場需求呈現(xiàn)迅猛增長的態(tài)勢。

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附錄：示例程序