摘 要

随着中国老龄化社会的来临，老年人的服务需求和老年人服务人员不足的矛盾日益突出，老年人服务机器人的研究渐渐被提上日程，中国科学院也带头提出了一个重要的知识创新项目《老年服务机器人》。老年人服务机器人属于室内机器人，由于家庭环境障碍物摆放没有规则且障碍物位置经常改变，因此对机器人的控制系统设计精度和机器人控制运动实时性有较高的要求。

为了满足服务机器人对环境和运动要求，本文设计了上、下位机两层结构控制系统，上位机是一台高性能工业计算机，下位机是单片机控制步进电机的一个运动控制系统，二者之间通过CAN总线完成通讯。本次设计的主要内容是采用AT89C51单片机作为核心芯片，利用单片机来控制车轮主动轮转动来实现机器人的前进、后退和原地转弯等动作。老年服务机器人还可以通过自身搭载的传感器采集外界环境信息，并经过TMS320LF2407A芯片对采集的外部环境信息进行加工处理，并让机器人根据外部环境做出相应的路径选择。本文还为老年服务机器人搭载了室内定位模块和路径规划模块，这样机器人在传感器获取外部环境后可以根据自身所在位置（出发点）和所要到达的位置（终点），进行自动路径规划并完成任务。整体设计以实际应用为出发点，尽量满足家庭环境下老年服务机器人的工作要求。

关键词：老年服务机器人、单片机、步进电机、传感器、室内定位

ABSTRACT

With the coming of aging society in China, the service needs of old people and the elderly service personnel shortage of contradictions increasingly prominent, the elderly service robot research has been on the agenda, take the lead of the Chinese academy of sciences makes an important knowledge innovation project of the elderly service robot.The elderly service robot belongs to indoor robot, family environment obstacles put no rules, so the control of the robot system have higher demand to design precision and real-time performance.

So in order to meet the requirements of service robot environment and sports, in this paper, the design of stepping motor control wheel a motion control system.This design USES AT89C51 as the core chip, using the single chip microcomputer to control the wheel driving wheel rotation to achieve the robot's forward and backward and turn in situ.Elderly service robot can be controlled by itself with sensors to collect information from the outside environment, and after using TMS320LF2407A digital signal processor of the external environment of information processing, and let the robot according to the external environment makes the corresponding path selection.This article also carried a indoor positioning module for elderly service robot and the path planning module, after this robot sensors in the external environment, can according to their own location (starting point) and to reach the position (the end), automatic path planning and finish the task.This design to actual application as a starting point, as far as possible to meet family environment of elderly service robots work requirements.

KEY WORD:Elderly service robot、single chip microcomputer 、stepping motor、sensor、indoor localization

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 IV

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 服务机器人发展现状和趋势 1

1.3 研究目的及意义 2

1.4 研究内容 2

第二章 服务机器人系统方案设计 3

2.1 机器人外形设计 3

2.1.1 外观造型 3

2.1.2 色彩设计 3

2.1.3 材料选择 3

2.2 服务机器人整体系统结构设计 4

2.3 主控制器及无线通讯模组设计 5

2.4 机器人运动控制模组 6

2.4.1 机器人行走结构机械设计 6

2.4.2 全向轮介绍 7

2.4.3 机器人底盘机械设计 9

2.5 避障模组设计 10

2.5.1 室内定位方案选择 10

2.5.2 路径规划方案选择 10

2.5.3 超声波传感器 12

2.6 视觉听觉等感觉模组设计 12

2.6.1 摄像头 12

2.6.2 听觉传感器 13

2.6.3 其他传感器 14

2.7 机械臂结构设计 14

2.8 本章小结 14

第三章 行走模组硬件配置设计 15

3.1 概述 15

3.2 基于单片机的步进电机控制 15

3.2.1 微控制器 16

3.2.2 电机驱动芯片ULN2003 16

3.2.3 步进电机介绍及选型 18

3.2.4 步进电机控制电路设计 20

3.3 超声波传感器信号采集 21

3.4 CAN通讯模块设计 22

3.4.1 CAN总线工作原理 22

3.4.2 CAN总线与上位机通讯模块 23

3.4.3 CAN总线与下位机通讯模块 23

3.4.3 CAN通讯接口芯片 24

3.5 本章小结 24

第四章 行走模组控制程序设计 25

4.1 概述 25

4.2 基于单片机控制步进电机程序设计及仿真 25

4.2.1 基于ULN2003驱动的步进电机程序设计 25

4.2.2 基于单片机控制的步进电机仿真截图 26

4.3 传感器程序设计 28

4.4 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 研究工作总结 30

5.2 经济性分析 30

5.3 研究工作展望 31

参考文献 32

附录 33

致谢 38

第一章 绪论

1.1 引言

随着计算机科学技术的智能化程度不断的发展深入，机器人的应用范围也逐渐增大，机器人的种类也不断丰富，这对工业自动化进程有不可替代的用处，大大方便了人们的生产生活，在未来社会生产和发展的历程中显得尤为重要。20世纪80年代之后，能够思考、有决策能力和行动能力的机器人系统被称为智能机器人。智能机器人由于其灵活的移动性，仿人思维的决策性，已经成为现代机器人技术研究的一大热门。进入二十一世纪以来，人们渐渐亲身感受到机器人正在走进人们生产、生活的方方面面。一方面随着各个国家人口老龄化越来越严重，也就有越来越多的老人需要照顾，对于基本生活保障和服务的需求也越来越紧迫，老龄化的家庭结构肯定会引起年轻人压力增大，也使得年轻人没有足够的时间进行自己的其他生活，比如工作或者陪伴自己的儿女，这将催化机器人市场的不断扩大。另一方面服务机器人将更加广泛地代替人从事各种生产劳动, 可以使人类从各种不适宜人类亲身操作的生产作业中解放出来^[10]。

1.2 服务机器人发展现状和趋势

从二十世纪八十年代中期开始，工业机器人的发展也引导产生了服务机器人的出现，机器人已经从各种工业生产环境进入人的日常生活环境，渐渐发展出甚至可以与人类协作来完成所需任务的智能服务机器人。尤其是最近几年，大家有目共睹的清洁机器人、导游机器人、送餐机器人等的巨大进步^[10]，。

欧美国家对服务机器人的研究起步较早，1987年英国人设计的机器人Handy 1可以帮助一位脑瘫儿童独立就餐，但这是在特定环境使用的机器人，在实际应用中还有很大的限制，美国斯坦福大学设计的MOVAR 机器人可以在未知的环境中工作，它可以穿行于各个房间之中，传感器的应用让它移动和工作更加安全可靠，但是这类机器人大多是还处于研究状态当中，应用于生产生活的还是相对较少，进入市场的时间还有待进一步考虑。在亚洲，机器人产业相对比较发达的是日本和韩国。SONY公司生产的的AIBO机器人使得机器人行业的发展又向前迈出了一大步，日本的本田、丰田等公司也在加紧服务机器人的研发进度。