作者：李尚堰 陈庆达 王立宽 尹婕 张永俊
单位：哈尔滨剑桥学院
指导老师：马文龙 韩轶男

一、设计背景

随着计算机技术、信息通讯、大数据、智能传感等科学技术的不断发展、融合以及在机器人领域的不断应用，服务机器人产业将呈现出快速发展趋势。为推进我国服务机器人产业快速发展，政府及有关部门相继发布一系列政策，开展下一代机器人技术、智能机器人学习与认知、智能家庭服务机器人、智能公共服务机器人实现批量生产及应用，在很大程度上促进了服务机器人产业的发展。
       智能家居机器人是通过计算机、通信、控制，也就是4C技术建立家庭综合服务于管理集成系统，机器人是IT技术、网络技术与控制技术向居家生活渗透发展的必然结果。

二、市场调研

  随着人们收入水平的提高以及消费偏好的转变，家庭服务机器人慢慢演变成大众需求，以扫地机器人为代表的家庭服务机器人驶入了发展的快车道。2017年中国家庭服务机器人销售额55.7亿元，2021年增至142.9亿元，复合增长率26.6%。预计2023年家庭服务机器人零售额将达187亿元。

三、主要技术

3.1 方案设计
       针对现有技术中存在的问题，本作品的目的在于提供一种家庭守护机器人，它可以通过四足-履带的切换结构，配合超声波传感器对障碍物进行避障，搭配温湿度、气体传感器、火焰传感器，对家庭火源，以及可燃气体的泄露进行实时检测，同时配备树莓派3B进行人机语音交互，对家庭智能化进行一系列的智能化操作以及方便性，为守护家庭保驾护航。
       具体功能：采用四足-履带的驱动结构对障碍物进行避障，采用温湿度传感器将室内温度以及湿度实时显示在led屏幕中，采用火焰传感器、气体传感器对室内火源以及可燃气体进行实时检测，并配合树莓派3B进行语音播报提醒。利用树莓派接入AI百度云人工智能，以及科大讯飞进行人机语言交互，方便获取想要得到的信息，以及智能家居的控制更加的快捷方便。
3.2 控制系统
       采用arduino控制器控制全车的运动系统以及实现各种功能的传感器，并且通过串口连接的方式接入人机交互模块对家庭守护更加快捷、方便。
3.3 主体结构

小车主要由驱动机构、传感器模块以及人机交互模块构成。
① 驱动机构

       全自动家庭守护机器人采用四足-履带的行进机构，配合超声波完成自主避障，对于较高的障碍物切换为履带模式进行避障，对于较低的障碍物切换为四足进行跨越障。
② 传感器模块

       通过火焰传感器对室内火源进行检测，确定火焰的方位，同时进行语音提示，从而为灭火机构提供灭火方位，实现在发生火灾时能够及时自动灭火，从根源避免火灾的蔓延，减少火灾造成的生命财产损失。

       气体传感器，可以对室内可燃气体进行检测，并及时进行语音播报提醒，并可以通过树莓派进行人机交互，及其打开窗户进行通风换气， 实时保护了家庭人员的安全。

       温湿度传感器，可将室内温度以及湿度进行检测，并将温度以及湿度显示在屏幕中，以方便提醒室内人员对室内舒适环境的温度以及湿度做出相应的操作。

可通过led屏显示当前小车状态和传感器相关数据。
③ 人机交互模块

       人机交互模块，是通过树莓派3B、麦克风以及扩音器构成。可通过人工智能语音进行人机语言交互，可以在室内出现事故时，通过唤醒机器人做出相应的动作，极大的为家庭守护提供了便捷性，同时也为室内活动增加了一份色彩。

四、创新亮点
本设计全自动家庭守护机器人，充分考虑到在家庭守护的稳定性，采用多种解决办法，能在较为复杂的地形中可靠的工作，具有良好的适应性。综合分析本次设计具有以下亮点：
① 四足-履带行进机构
       机器人通过四足-履带的行进机构，为适应不同场地进行避障以及跨越障碍，让小车在复杂的环境中能更加稳定的工作。履带车形态在平坦或稍崎岖的地貌上能够保持较高的行进速度，降低了四足爬行的功率消耗；四足形态用于跨越障碍，灵活应对各类复杂地形环境，解决了履带结构应对高度落差较大地形难以翻越的痛点，即实现了仿生四足与履带式结构双优势结合的腿履协同。
② 传感器模块
       通过不同的传感器模块对室内环境进行检测，为室内守护进行实时的数据传达以及提醒。
③ 人机交互模块
       机器人搭配人工交互模块，可方便迅速的对室内守护进行语音提示，并方便的做出应对措施。

五、应用前景
随着时代的发展，我国消费者的消费观念对包括服务机器人在内的智能化产品需求也逐步增强。由于城市化带来的快节奏生活导致消费者家务时间明显减少，导致消费者对家务机器人购买需求呈现刚性化特征。
       随着工业4.0和物联网技术的发展，技术进步带动力服务机器人智能化程度的迅速提升，同时国内智能手机渗透率较高，消费者使用智能手机作为移动终端远程遥控家庭服务机器人，提升了消费者的用户体验。综上，居民可支配收入、消费观念、城市化进程、技术等多方面因素使得我国家庭服务机器人市场需求呈现迅猛增长的态势。

更多详细资料请参考 https://www.robotway.com/h-col-285.html

附录：示例程序