家用服務機器人的結構設計與開發

齊齊哈爾大學機電工程學院 蔡有杰 王世剛 周長明

機器人學的進步與應用是二十世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義的自動化，尤其在當今的工業制造中，機器人學已取得了偉大的成就。進入二十一世紀，人們越來越感受到機器人已經深入到人們生產、生活和社會各個領域。當前社會家庭服務也迫切需要，一方面社會老齡化越來越嚴重，使很多老人需要被照顧，使社會保障和服務的需求也變的更大，老齡化的家庭結構會使很多的的年輕家庭壓力增大，而且工作的壓力和生活節奏的加快，也使得年輕人沒有更多的時間陪伴自己的孩子，隨之使家庭服務機器人市場變的更大。另一方面，服務型機器人將會廣泛地代替人力從事各種工作，使人類從繁重的、重復單調的、有害健康和危險的生產作業中解放出來。

1.家用服務機器人的主要功能

圖1 多功能家用服務機器人功能模塊圖

圖2 家用服務機器人總體結構示意圖

該家用服務機器人機械手爪有夾緊和松開物件的功能，由五個電機驅動五個自由度的運動，由一個電機控制手爪的夾緊和松開以及兩個電機驅動四輪小車后輪。這樣既可實現整體的旋轉、水平、垂直運動及手爪的傾斜、旋轉、夾緊、松開運動，也可實現機器人在地面上的空間全方位運動。該機器人可通過手柄遙控控制，也可通過程序自動控制。從手柄遙控或程序發出控制信號到各個相應的接收器，再從接收器傳給各個電機，驅動小車以及機器人的運動方向或行程，從而機械手可以夾取或放置物件。多功能家居整理機器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的操作、軌跡和要求進行工作。具體功能模塊如圖1。

2.家用服務機器人的總體結構

總體結構主要由執行系統、驅動系統、控制系統及檢測系統組成。執行系統是多功能家用機器人完成抓取工件，實現各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身和行走機構等.驅動系統為執行系統各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。控制系統是通過對驅動系統的控制，使執行系統按照規定的要求進行工作，當發生錯誤或故障時發出報警信號。檢測系統的作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執行機構的運動情況，根據需要反饋給控制系統，與設定進行比較，以保證運動符合要求。另外本機還有配重系統，由于自重、承重較大，工作時運動慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動機組件、齒形帶輪等大質量零部件布置在與腕部相對的另一端。底部小車的主體結構包括底盤、車身、轉向機構等，對于小車而言，轉向機構與驅動系統的設計是很重要的，只有嚴格按照阿克曼原理設計出合理的零件長度才能使小車平穩的轉向，而不至于出現打滑現象。由于平面等腰梯形連桿機構最常見且加工方便，所以設計采用平面等腰梯形連桿機構小車的轉向機構。

具體的機械結構如圖2所示，家用機械人的底座通過螺栓連接小車架，小車架內設有驅動電機，小車架的外側設有轉向裝置，小車架的下端設有車輪，車輪連接轉向裝置；底座中心上端通過螺栓連接大臂，底座的上端設有大臂電機，大臂電機通過皮帶輪連接設在底座上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂內底端的齒圈，大臂的側上端設有斜向支撐架，大臂上端分別連接中臂、氣缸底端，氣缸的上端連接中臂，支撐架上設有中臂電機，中臂電機連接調整絲杠，調整絲杠連接中臂中間的絲母，大臂的上端中間鉸接小臂調節桿，小臂調解桿的上端連接支撐軸的后端，中臂的上端橫向鉸接支撐軸，支撐軸的尾端分別安有手部電機、腕部電機，支撐軸內設有小臂并伸出支撐軸外側，小臂的前端安有旋轉腕，旋轉腕的前端設有機械手，機械手的根部旋轉腕內安有扇形齒輪與一軸上的直齒輪嚙合，手部電機通過皮帶輪連接一軸，腕部電機通過皮帶輪連接二軸，二軸的端頭設有傘齒輪與旋轉腕上的傘齒輪嚙合。它可以幫助人們搬運物品還可以進行打掃衛生的簡單操作，還可以幫助主人投遞垃圾、拿所需物品，還可以拿一些比較有危險性的物品例如炙熱的烤盤等等。

3.機器人典型工作過程

家用機械人的底座14通過螺栓連接小車架15，小車架15內設有驅動電機，小車架15的外側設有轉向裝置17，小車架15的下端設有車輪16，車輪16連接轉向裝置17；底座14中心上端通過螺栓連接大臂12，底座14的上端設有大臂電機13，大臂電機13通過皮帶輪連接設在底座14上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂12內底端的齒圈，大臂12的側上端設有斜向支撐架11，大臂12上端分別連接中臂7、氣缸9底端，氣缸9的上端連接中臂7，支撐架11上設有中臂電機6，中臂電機6連接調整絲杠8，調整絲杠8連接中臂7中間的絲母，大臂12的上端中間鉸接小臂調節桿10，小臂調解桿10的上端連接支撐軸18的后端，中臂7的上端橫向鉸接支撐軸18，支撐軸18的尾端分別安有手部電機4、腕部電機5，支撐軸內設有小臂3并伸出支撐軸外側，小臂3的前端安有旋轉腕2，旋轉腕2的前端設有機械手1，機械手1的根部旋轉腕2內安有扇形齒輪與一軸上的直齒輪嚙合，手部電機4通過皮帶輪連接一軸，腕部電機5通過皮帶輪連接二軸，二軸的端頭設有傘齒輪與旋轉腕2上的傘齒輪嚙合。

底座14內可放置蓄電池或外接交流電源并設置無線接收裝置，無線遙控裝置將指令發送給接收裝置，接收裝置可按指令驅動電機將小車15前移或后退，其方向由轉向裝置17改變小車15的轉向，到達指定地點后，通過調節小臂調節桿10和調整絲杠8來調整小臂3的仰俯角度，腕部電機5將旋轉腕2調節到位，手部電機4通過一軸上的主齒輪23將扇形齒輪向外推開，機械手1張開靠近目標物，然后主齒輪將扇形齒輪向內拉緊夾緊目標物，移動小車15將目標物移動到指定地點，松開機械手1將目標物放下。

4.結論

隨著社會不斷向前發展，科學技術日新月異，人們的生活水平不斷提高，生活節奏也不斷加快。在人們的觀念中，對生活質量的要求也越來越高。人們在忙碌的工作下，更多追求生活環境舒適和關注生活的輕松氛圍。所設計的家用服務機器人能真正滿足人們在生活上所需要，能很好地給予提供服務，保證了家庭服務質量，為家庭生活帶來了很大的方便。

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