人工智能自动升降洗漱台的设计

　　研究背景

　　居民家中洗漱台的高度一般是按成人的身高制作的，孩子平时洗手时总是因为家里的洗漱台太高而弄湿袖子，如果洗漱台的高度按孩子的身高制作的话，爸爸妈妈使用的时候就得把腰弯得很低。有的公共场所设有一个或两个矮一些儿童洗手池，但也由于来洗手的人身高不同，存在用着不方便，资源不能重复利用的问题。如果洗漱台的高度能够随使用者的身高自动调节的话，就能方便所有人使用。

　　怎样利用我们所学的机器人知识解决这个问题呢？于是，我们利用VEX和乐高EV3机器人器材设计了一个可以自动测量使用者的身高并自动调整洗漱台高度的智能升降洗漱台。

　　研究目的

　　调查不同身高的人最舒适的洗漱台高度，用乐高EV3的传感器和电机设计并制作一种装置，能够检测到有人来洗手，能够自动测量使用者的身高，并能根据使用者的身高自动将洗漱台调整到最舒适的位置。

　　研究方法

　　1.调查不同身高的人最舒适的洗漱台高度。通过实地测量学校内、肯德基、大型超市内的洗漱台的高度，以及随机访问同学、老师们感觉最舒适的洗漱台的高度，推导出由身高计算最舒适洗漱台高度的计算公式。

　　2.研制利用超声波传感器、电机、滑轮装置制作不接触人体就能准确测量人身高的装置。

　　3.研制利用电机、滑轮装置将洗漱台升降到舒适位置的装置。

　　4.根据实际测试者的建议，改进我们的设计，形成最终成品。

　　具体实施

　　我们的设计是将两个超声波传感器装置，放置在洗漱台旁边的立柱的轨道上，并通过滑轮装置和电机能使超声波传感器上下移动。当水平超声波传感器上下移动自动寻找人头顶的位置并停下来，这时垂直超声波传感器测量距离立柱顶端标志物的距离并计算出使用者身高；主机根据获得的身高数据计算出最佳的洗漱台高度，并驱动电机移动到该高度。

　　我们查询到目前可升降洗漱台多为两种：一种为机械装置，设置几个销卡分为几档，手动调节洗漱台到相应高度后用销子卡住；另一种为电动式，用上下按钮或遥控器控制设备，利用电机驱动洗漱台上下移动。目前以上两种均不能通过超声波传感器无接触式的测量使用者的身高并根据使用者的身高自动调整洗漱台的高度。

　　本项目通过无接触式的快速测量使用者的身高，并根据身高自动调整洗漱台的高度，最大程度上体现了以人为本，科技改变生活，机器人为人类服务的理念。

　　查阅资料、进行构思

　　通过上网查资料、实地测量肯德基的儿童洗手台和成人洗手台以及测量学校的洗手台的高度，我们设计出了智能洗手台的草图，设想采用VEX的金属材料搭建洗漱台框架、用乐高EV3套件来搭建机械系统，完成智能自动升降洗漱台机器人的设计。

　　尝试搭建、初步编程

　　我们先用VEX的金属材料搭建洗漱台框架，之后用乐高的齿轮和齿条结构组装了升降系统、自动测量身高系统，并进行了编程。诞生了第一代“智能升降洗漱台机器人”。

　　实验调试、初次改进

　　通过实验和调试，发现存在一个问题一一齒轮和齿条之问很容易脱齿，洗漱台有一定的重量，升降时很费劲。

　　我们决定将齿条结构改为滑轮结构来升降洗漱台，并利用滑轮组省力的原理，用4个电机同步转动拉动滑轮组的绳索。通过测试，发现洗漱台升降平稳多了，而且4个电机毫不费力可以随意停留在任何位置。

　　如何让洗漱台随时感知自己所在的高度呢，我们在台面下方安装了一个超声波传感器，通过实时测量距离标志物的距离，计算出台面的实际高度。

　　再次调试、进一步改进测量身高部分

　　通过再次调试发现，在测量身高部分，由于超声波传感器的信息线不够长，主机是和超声波传感器一起上下移动的，主机太重，插在电机上的轴总是坏掉。于是我们想做2根超长的信息线，我们将3根50cm的线接成一根长线，将主机和电机固定在金属框架上，只让两个超声波传感器上下移动。

　　增加手动调节按钮，再次调试、进一步改进测量身高部分

　　为更方便人们使用，我们为洗手台增加了手动调节按钮，这样洗漱台自动调节高度完成后，还可以手动按上下按钮调节洗漱台的高度。

　　安装装饰板

　　我们为升降洗漱台设计了装饰板，这样洗漱台会更漂亮一些。

　　工作原理

　　（一）工作过程

　　1.1号超声波检测是否有人要使用洗漱台，如果有人靠近洗漱台，则通过语音主动和人打招呼。

　　2.使用者按下“开始”按钮后，2号和3号超声波同时向下移动，检测人头顶的位置，测量出使用者的身高。按公式：身高÷2-10，计算出洗漱台的舒适高度。

　　3.驱动电机将洗漱台的调整到此高度（4号超声波实时测量洗漱台高度）。

　　4.另外还可以按上下按钮手动调整洗漱台的高度。

　　（二）无接触自动测量身高工作原理

　　1.两个超声波传感器（2号和3号）一起向下移动，2号超声波传感器水平扫描，直到检测到人头顶。

　　2.在超声波运行轨道的顶端有一个标志物，此标志物距离地面的高度为193cm。

　　3 3号超声波测量出头顶距离标志物的距离，设为y，则人的身高H41为193-y。

　　（三）台面最佳高度

　　我们通过使用者测试体会以及与网上相关资料的对比，得出以下结论：洗漱台在人身高一半位置再向下10cm处时，是使用者感觉比较舒服的高度。所以，根据上一步测出的使用者的身高（H41），很容易得出洗漱台应到达的高度（H2）的计算公式为：H2=H1÷2-10

　　（四）台面实时高度的计算

　　位于台面下方的4号超声波传感器实时测量台面到下方标志物的距离，设为h。

　　洗漱台的实时高度为：H2=h+48cm。

　　谢睿迪 冯雨禾 黄嘉雯