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新型智能垃圾桶的研究与设计

LI Yongmei , ZHOU Lei , ZHANG Weifen

关键词：轮式机器人；垃圾桶；语音控制；避障

摘要:随着集成电子概念的广泛传播，智能化已经成为成为未来家居生活的趋势，因而垃圾桶作为一种常见的家具，也需要智能化。本次设计的垃圾桶以轮式机器人为基础，以保证其可以向前或向后移动，也可通过语音命令向左或向右旋转。超声波传感器被安装在垃圾桶机器人上，以保证其可以有效的避开移动中的障碍物。由转向电机控制的垃圾箱盖也可以通过语音控制顺利打开或关闭。这个智能垃圾桶非常适合那些行动困难的人，同时其作为一个作为家庭服务机器人，也有很大的发展空间。

简介

目前，市场上销售的智能垃圾箱普遍存在智能化程度低、功能有限的特点。他们基本上是用光电传感器或红外传感器来检测人体信号，然后通过微控制器单元驱动直流电机打开盖子，并在5、6秒后关闭。其主要缺点有两个：一是功能单一，智能化程度低；二是部分产品机械设计不合理。例如，大量产品是由直流电机通过铰链驱动的，但电机轴与铰链的连接或固定不合理，导致其使用寿命降低。针对现有智能垃圾桶产品的缺陷，增加基于轮式机器人的语音控制和避障功能，实际上可以提高垃圾桶的智能化水平和人机交互[1][2]。

整个系统的结构

本设计基于AVRmega328P PU单片机的智能垃圾桶。本文主要是介绍了机器人的机械结构、硬件电路及其控制部分的实现。垃圾桶机器人系统的结构如图1所示。

机械结构部分：垃圾桶机器人的机械结构部分是移动机构，即装载行走机构和控制电路的机器人本体。

硬件控制电路部分：本文设计的机器人是基于语音控制的。

机械结构

垃圾桶机器人服务于室内环境，它比普通的垃圾桶大一点。该机器人主要用于家庭或办公室，可以方便地更换垃圾袋。垃圾桶机器人的结构由上到下依次为：盖、体、底盘。盖子分为两部分：可拆卸的盖子和自动顶盖。可拆卸的盖子设计用于更快地更换和组装垃圾袋。顶盖的尺寸比仓盖小，并嵌在仓盖上。[3] 盖与盖通过专用支撑机构连接，盖与本体通过铰链连接。为了便于组装和布线，桶体分为两层，外层为仓壳，内层为垃圾提供存放空间。垃圾桶机器人采用轮式结构，可前后行走，左右灵活转动。动力和控制部件安装在底盘上，驱动轮和辅助万向轮也安装在底盘上，这样不仅降低了重心，提高了运动时的稳定性，而且使电子元件能够统一安装，避免了元件之间分离太远的情况[4]。机器人实体如图2所示。

图1，原理框图 图2，实物图

1、 电源配置

垃圾桶机器人有两个电机，一个起主电机的作用，控制机器人的行走，另一个控制盖子的打开或关闭。由于在选择主电机时应考虑垃圾箱的重量，因此必须确保电机具有足够的牵引力。开盖电机的选择也存在同样的问题，用延时程序控制直流电机开盖是不明智的，因为直流电机没有足够的转矩，容易使电流过载甚至烧坏驱动板。综上所述，本次设计选用12V大功率直流电机驱动底盘车轮，转向电机在专用设计支架的辅助下控制桶盖的开闭。直流电动机将直流电能转化为机械能，具有较大的起动转矩和良好的调速性能。

2、 底盘车轮的结构设计

底部有两个反向分布的驱动轮和三个用于调整机器人转向的万向轮[5]。两个轮子由两个独立的马达驱动，但通用轮子不提供动力。马达、轮子、通用轮子和控制器、电路板都安装在底盘上，如图3所示。

图3，车轮的三维结构

1.万向轮2.驱动轮3.电机

3、 整体机械结构设计

除车轮外，底盘前端还配备了超声波传感器以避免障碍物。电路板和容器在机箱的上方，机器人的顶部是语音输出模块和盖子。为方便更换垃圾袋，盖子分为两层，一层为手动打开更换垃圾袋，另一层为顶部电池充电，另一层在使用时由电机自动打开。

底盘

材质：亚克力板，外圈直径290mm，厚度2mm，如图4所示。

图4,底盘设计 图5.简体结构示意图

2） 筒体

主体分为内筒和外筒两部分。在外筒顶部前方有一个可视空间，可以设置超声波测距传感器，结构如图5所示。材料：工程塑料；高度：400mm；外圈直径：300mm；垃圾存放区直径266mm；深度：280mm；材料厚度：2mm。

3） 盖子

桶盖有两部分：顶盖和盖子。盖子通过铰链与外筒体连接。此外，顶盖由转向电机在自行设计的支架辅助下控制。盖部件如图6所示。

a b c

d e f

图6，盖子组件

a. 盖 b.铰链 c.铰链示意图

d.转向马达支架 e.顶盖 f.顶盖

4） 探测结构

在外筒体的底部有一个凹槽，为超声波距离传感器提供了一个可见的探测空间。垃圾桶机器人通过超声波距离传感器判断前方是否有障碍物，以确定是否可以直行或转弯避开障碍物。桶上的可见窗口如图7所示。

图7，超声波检测的可见窗口

控制系统硬件设计

控制的三个要求：

1）可以实现人机交互，例如，人通过声音发出指令，机器人提供相应的动作（向前或向后行走、转身等），而不是通过遥控手动操作；

2）具有避障功能。垃圾桶机器人由于其复杂的环境和实际应用中不可避免的障碍，必须具备有效躲避障碍物的能力。

3）系统激活后，用户只需发出语音命令，其他操作由系统自动执行。

基于以上要求，控制电路硬件包括Arduino uno r3CPU控制模块、语音识别模块、语音合成模块、433无线模块、超声波检测模块、I/O扩展模块、L298N电机驱动模块、减压模块和电源扩展模块。每个模块都是独立设计的，都有标准接口，可以自由组合，便于开发各种设计方案。硬件的设计目标是电源驱动电机和转向电机，并为超声波测距传感器、主控制器和语音命令模块提供能量。主控制器必须对垃圾箱进行准确有效的控制。传感器能够识别机器人前方的障碍物，并为系统避障提供中断信号。此外，机器人还需要一些语音控制模块，如美国语音接收模块和语音处理模块，这些模块能够将人类的语音指令转换成控制器能够识别的信号。

1、 单片机控制模块

本文的电路硬件选用Atmel公司生产的AVR-mega328P-PU单片机，其参数如下：ATMEGA32x处理器系列；AVR8核；8位宽数据总线；32kB flash ROM等，Arduino控制器主要由mega328P PU MCU构成，是一种集成电路板，具有JAVA或C等高级语言的IDE集成开发环境，基于USB接口的开源代码和简单的I/O接口板。

2、 语音和无线模块

在使用语音识别模块之前，必须在主机软件上进行设置。在上位机上以语音符号的形式输入中文指令，可根据指令的顺序得到十六进制值。例如，可以用{a0qian jin}的形式输入“goward”，另外，第一个订单的返回值是“00”。考虑到模块存储空间的限制，本文总共使用了约50条语音指令^[6]。

语音合成模块的原理与语音识别模块相同，并在上位机上设置。该综合模块具有函数发生器，通过输入汉语语音提示来实现编码。例如，机器人说“智能机器人为您服务，请下单”，当它打开时，提示的代码可以放入程序或直接调用。

超声波检测模块

根据超声波的特点，研制了超声波距离传感器。超声波本身是一种频率高于声波振动的机械波。能量转换芯片能在电压激励下产生超声波。超声波在液体和固体中具有很强的穿透性，特别是在不透明固体中，它能穿透几十米深。当超声波遇到杂质或界面时，会产生明显的反射波，而且当它面对运动物体时，会产生多普勒效应。超声波具有频率高、波长短、衍射现象小的特点，而且具有良好的指向性，可以以射线的形式定向传播。因此，超声波在工业、国防、生物医学等领域有着广泛的应用。通常，人们喜欢使用超声波传感器或超声波探

软件设计与实验结果

根据整个智能机器人的运动控制要求，由电源提供能量，电机驱动轮子，使盖子打开或关闭。在接收语音指令时，控制器控制所有的动作。本文根据程序流程分别编写了主程序和子程序，包括正、反、左、右、停、开、关程序。通过测试和优化，垃圾桶机器人在语音命令下在室内表现良好。控制系统的流程图如图8所示。

图8，控制系统流程图

结论

本文设计了一种语音控制的智能垃圾桶机器人。这个垃圾箱需要实现前进或后退、左转或右转、打开或关闭盖子的动作，只有人类的声音指令。在可控范围内，当主人下命令时，垃圾桶机器人可以执行相应的动作。所以，这是一个机械、电子和自动化相结合的设计。

参考文献

[1]WU Guobin, LI Bin , YAN Jizhou. Kinect Human Computer Interaction Development Practice, [M], Peoples Posts and Telecommunications Press,2013.

[2] Alan Winfield , Robotics: A Very Short Introduction, [M], Oxford University Press,2012.

[3]Joe Jones, Daniel Roth. Robot Programming :A Practical Guide To Behavior-based

Robotics, [M],.McGraw-Hill Professional,2013.

[4]Massimo Banzi .Getting Started With Arduino , [M], Orsquo;Reilly media ,Inc ,USA ,2011.

[5]David Cook .Intermediate Robot Building, [M],APress ,2010.

[6]CHEN Xuedong, JIA Wenchuan. Motion Planning and Control. [M], Huazhong University of Science and Technology Press,2006.

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