在很多科幻作品中，都提到过一些为人们料理家务的机器人管家。因此，我们就设想制造一个智能机器人，用它能够控制家里现有的一些硬件设备，监测家中的环境状况，即使是主人不在家的时候，它也能够按照主人的“吩咐”，将家里的生活安排得井井有条，就像一个忠诚的管家一样，服务于人们的家庭中。使曾经的科学幻想变为现实是我们的设计的主要目标。
要做一个真正的机器人管家，就要用机器人实现管家所应当完成的任务，并且主人可以在其它地方通过管家的“眼睛”，了解家中的情况。所以，机器人就要有灵活不受限制的运动系统；对家中各种陈设的位置的判断力；对家中各种电器的控制；对温度、湿度的测量能力；能将采集到的信息上传至家中的电脑。如果主人不在家，还能够通过网络将信息输送至所需要的地方。这样机器人就可以自主地完成各种管家的工作，或者在主人的“指挥”下，料理各种家务。
硬件实现
1.硬件组成
我们为机器人制作了以下七个硬件模块：
（1）单片机控制模块 选用时下流行的美国Atmel公司的89C52芯片。它有内设的8K E2PROM，256 bytes 的RAM ， P0、P1、P2、P3 等四个端口，其中P0、P2为数据/地址双向多用端口。它还有3个定时器，T0、T1和T2。主振晶体为11.0592MHz，以利于通信波特率的精确设置。89C52中还内设8级中断控制系统，3级单向一次性可编程的加密内存，可以防止芯片内的程序被非法读写、拷贝等。
（2）运动模块 为了保证机器人运动灵活，行动准确、到位，系统误差小，我们选用了四相式 15V步进电机(分辨率 200步/周，频率响应0.1～300Hz，功率4W×2) 为两侧主动轮的驱动电机。机器人前后各有一个从动的万向轮，后万向轮加装减震弹簧。这种结构使机器人能在不太平坦的地面上正常行驶。通过单片机改变步进电机的激励电压频率，能够使机器人保持最佳的运行速度。由于机器人自身有一定的重量，在起步时需要克服最大静摩擦，所需力矩较大，而运行时则力矩较小，在运行程序中，加入了一个从起步到最高速的一个加速程序和一个停止时的减速程序，使机器人行走更平稳。
（3）超声测距模块 考虑到机器人工作的环境主要是在家中，机器人需要有自主运行中的避障和测距定位等功能。由于家庭环境中，一般的距离不会超过10m，选择了超声测距的方法。记录声波脉冲发射和接收到之间的时间间隔，再乘以声速，即为所要测量的距离。为了避免各超声传感器之间的相互干扰，没有提高超声的发射功率和接收灵敏度，使其测距范围为 0.1～8 m，完全可以满足在家中运行的需要。我们给机器人加装了四组这样的超声传感器，分别在左侧、前左、前、右侧。对于三个方向上接收到的数据，主要进行两方面的处理：其一是判断有无障碍物，进行自动避障；其二是根据测量的距离，可以自动绕房间一周（沿左墙或右墙），绘制出一张房间的二维地图。
（4）温度、湿度测量模块 温度和湿度的测量，利用A/D 转换器将传感器的模拟信号（电压），转换为数字信号，并通过单片机的8个I/O口，将8位二进制数传送给单片机，通过相应的数学模型进行运算，即为所测量到的摄氏温度和相对湿度。
（5）电器遥控集成模块 家中各种电器控制是通过智能可学习红外遥控器完成的。它可以自动记录家中各类电器遥控器所发射的红外线信号，并储存在flash 里，到时候需要控制什么电器，它就会发射出相应的红外线信号。在知道了家中的温度、湿度之后，可以控制家里的空调、取暖设备及控制微波炉、电饭煲等电器。
（6）图像采集模块 通过网络，实时传输图像是个在目前很复杂的问题。为了降低机器人的成本，使日后管家能够真正运用于人们生活之中，我们采用中科院微视电子公司的PCI视频采集卡，采集、压缩接收到的视频信号，利用提供的2次开发包（动态链接库）进行2次开发。为了提高网络的效率，能使图像更快地传输，并且能够保证图像的质量和实时性，我们将采集进来的视频信号，实时压缩成jpeg文件，通过网络将jpeg文件传输到客户端，并在客户端不断地刷新jpeg文件，形成一个比较连贯的图像传输系统。由于jpeg 文件只有十几KB，利用TCP/IP传输协议进行传输，所需的时间不长。每秒钟可传3~12帧。
（7）各种数据的传输模块 为了使机器人能够自由地在工作环境中不受限制地运行，不能拖着“尾巴”（电线）。我们给机器人加装了无线数据传输模块。数据传输模块有两个，一个用来完成单片机与上位机之间的信息交互，例如传送温度、湿度、超声测距值及各类命令；另一个数传模块则专门用来传输摄像头所拍摄到的视频信号，送到图像采集卡。其中信息数传模块的频率为800MHz，传输距离在空旷地区能达到1km。图像传输模块则有4个在1200MHz 左右的频点可供选择，传输距离在空旷地区能达到200m，可以满足在家中的使用要求。
2.硬件电路
（1）主板 主板电路如图1所示。P1.0端口为两个步进电机驱动模块提供激励电压频率，以改变步进电机的转速，P1.1、P1.2端口控制两个步进电机转动的方向（正/反转），这样在转弯时可以做到原地转弯并且效率较高。通过非门将单片机的控制信号与步进电机控制模块的信号调整同步。P1.5端口控制超声的发射，并同时启动INT0的定时器中断，一旦发出了超声波信号，直至接收返回信号，记录定时器在这一过程中所经过的时间t，再按照s=vt/2的公式算出距离。P1.3、P1.4端口用来选择测温或者测湿电路的启动。P0端口接A/D转换器，以获取由测温、测湿模块测量，并通过A/D转换器（ADC0809）转换得到的8位2进制数。P2端口用来控制智能可学习红外遥控器的8个按键。在串口通信方面，我们将单片机的串口数据通过MAX232芯片进行TTL/CMOS和RS-232电平之间的转换并将其连接至无线串口收发模块。
(2)超声波传感器 超声波传感器原理图如图2所示。其中图(2a)为超声波的发射电路，单片机通过enable（使能）端给出触发信号，发射端通过U1A和U1B两个运算放大器，组成一个振荡器，再通过U1C和U1D两个放大器输出（enable控制U1C的工作状态），驱动压电陶瓷换能器发出超声波；图(2b)为超声波的接收电路，前级由1个MC4558内的两个运算放大器构成前置放大器，后级通过反向器作为输出端的驱动。
（3）温度、湿度传感器 原理图如图3所示。将测温芯片LM35的电压数值通过OP07进行放大，输出给A/D转换器（ADC0809）的第一个输入端（In-0）。我们使用了一个现有的湿度传感器将其输出给ADC0809的第二个输入端（In-1）。ADC0809将接收到的电压值转换成8位二进制数，输出至单片机的P0端口。ADD-A和ADD-B分别对应单片机选择读取的温度和湿度数值的选择端口。
（4）智能可学习红外遥控器 如图4所示。将J2接收到的红外线信号，通过78P156单片机，将红外线信号储存至E2PROM（24C32）中。与单片机8个端口的连接中使用了光电耦合器，以起到模拟按键开关的作用。当单片机的端口发出指令时，通过光电耦合器短路相应的电路，起到了按键的效果。78P156单片机便会将相应位置上储存的红外线信号通过J1发射出去，实现智能可学习红外遥控。
软件部分
在软件方面，主要分为两大部分（软件流程图及源程序见本刊网站）：
1.单片机程序的编写 我们用C51语言编写，通过 keil 软件进行编译。主要分为三大部分。
自动行走 通过4组超声传感器，沿一侧墙壁自动将房间巡视一遍，并将所收到的数据通过串口通信，传送给上位机，以完成地图的自动绘制功能。
控制行走 通过串口通信接收上位机的指令，按照指令要求完成动作。指令分为数组型和字符串型两种。
智能可学习红外遥控器的学习 通过串口通信接收上位机的指令，并打开所选择的遥控器的按钮，以完成多功能遥控器的学习功能和对各种电器的操控。
2.上位机程序的编写 利用 Lab-windows/CVI（C语言）编写整套上位机的程序。整个程序共分为8个子程序。
服务端 建立起串口通信与单片机进行信息交互，利用TCP/IP建立起的网络信息交互平台，将单片机的数据传输到客户端。将PCI采集卡采集进来的图像信息转存成jpeg文件，利用TCP/IP服务协议的另一个端口传输给远端的图像接收程序。
客户端 接收服务端所发送的单片机的数据信息并进行运算，将温度、湿度、机器人在二维地图上所处的位置，直观地表现在程序界面上，并能将控制机器人自动行走、开关电器、巡视、拍照的命令信息发送各服务端，通过服务端，将命令转发给单片机。可以在地图上点击一个地点，根据现在所在的点，算出目标点的方向距离，发送给单片机，单片机旋转指定角度，运行到目标点，途中遇到障碍，按照地图绘制时的避障方法，避开障碍物。能够自动保存上一次的操作步骤，并可自动按上一次的操作重新进行巡逻工作。
图像采集 接收服务端传输过来的图像文件，在指定窗口中打开图像，并实时更新图像。
路线绘制 通过串口通信，制定一条机器人自动巡逻、定点拍照的路线，并储存为指定的文件，供客户端使用。
地图绘制 通过串口通信，将超声测距的数值记录下来，通过三角函数，转化为以0点为起始点的平面直角坐标系上的点，并进行相应的填充，绘制出房间的二维地图，供操作机器人在家中工作时参考。
遥控器学习程序 通过串口通信，学习家中遥控器的红外线信号。
机器人在实际生活中的应用前景
用机器人代替人力，服务于人，是整个社会的一个大的趋势。而我们的机器人正是适应了这一潮流，将曾经的科幻变成了现实，并且成本很低，机器人自身的适应能力强，一般的家庭都可以接受和使用。这个机器人是一个在“无限（空间、时间）”、无线的条件下完成对未知环境探测的平台。在这方面，它有着更大的扩展空间，比如用于工厂、仓库环境的监控，一些危险环境的探测。在这个平台上，可以充分地扩展外部设备，完成各种特殊的功能，甚至可以用于战争中充当工兵，避免人员伤亡。
