雙足人型地面清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)

王帆　李云芳

【摘 要】本文設(shè)計(jì)的地面清掃機(jī)器人采用十七自由度人型機(jī)身，靈活性大大提高。對(duì)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)、傳感方式、芯片及電路的搭建及運(yùn)動(dòng)方式的控制方面內(nèi)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并配套掃地吸塵拖地三合一模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)地板進(jìn)行全方位的清潔，替代人工清潔。

【關(guān)鍵詞】雙足人形；地面清掃；機(jī)器人；結(jié)構(gòu)硬件；傳感器

1 研制背景及意義

智能機(jī)器人集多學(xué)科理論和技術(shù)于一體，體現(xiàn)了當(dāng)代最高意義的自動(dòng)化。智能家庭服務(wù)機(jī)器人可以代替人來(lái)完成清潔衛(wèi)生、物品搬運(yùn)、家電控制等各種家務(wù)勞動(dòng)。本文主要設(shè)計(jì)雙足人形地面清掃機(jī)器人，這種服務(wù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)上主要遵循人性化、情感化、智能化的原則，在很大程度上“主動(dòng)服務(wù)”于人，能夠自主或者半自主地提供服務(wù)，代替人完成枯燥、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作，滿足現(xiàn)代用戶的需求，提高生活質(zhì)量。

地面清掃機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵技術(shù)有機(jī)融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)地面的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作。地面清潔機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)輕度，提高勞動(dòng)率，使科技更好的為人類服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 主要功能和性能指標(biāo)

該機(jī)器人系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)控制單元、導(dǎo)航與定位單元、傳感器單元、防盜裝置和人機(jī)交互單元。頭部安裝的超聲波距離傳感器，可以探測(cè)周?chē)系K，并在一定范圍內(nèi)尋找合適路徑，智能性突出。仿人型結(jié)構(gòu)及各關(guān)節(jié)的控制采用嵌入式ARM單片機(jī)，使運(yùn)動(dòng)更加靈活緊湊。本設(shè)計(jì)在清潔衛(wèi)生這一方面是一大亮點(diǎn)，機(jī)器人具有與其配套的掃地吸塵拖地三合一模塊，能對(duì)地板進(jìn)行全方位的清潔。機(jī)器人安裝了與人類手掌相似的機(jī)械手，所以它可以抓取小型物體，是地面清潔效果更好；且設(shè)定好程序就可以使其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作，解放人類的勞動(dòng)。因?yàn)闄C(jī)器人內(nèi)置LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊，能夠進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，遠(yuǎn)距離操控，達(dá)到人性化的操控效果；內(nèi)還可置歌曲詩(shī)詞，表演優(yōu)美舞蹈，成為孩子們的朋友；該機(jī)器人還具有家庭防盜功能，在主人不在家的時(shí)候機(jī)器人可根據(jù)紅外傳感器探測(cè)到家里是否有外人的進(jìn)入，安裝有GSM模塊，若有外人進(jìn)入能夠立即通知主人。

主要性能指標(biāo)：

1）語(yǔ)音識(shí)別距離：3m±0.5；

2）行走速度：50mm/秒；

3）動(dòng)作精度：±5mm。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的地面清潔智能機(jī)器人采用仿人結(jié)構(gòu)，具有像人一樣的四肢，靈活自如[1]。關(guān)節(jié)采用數(shù)字金屬齒舵機(jī)，扭矩大，角度準(zhǔn)確。支架采用硬鋁制作，既輕便，又滿足強(qiáng)度要求。機(jī)器人主體尺寸為400mm高，具有雙腿、雙腳、雙胳膊和靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的頭部。雙腿長(zhǎng)度為200mm，胳膊為150mm。圖1為已設(shè)計(jì)制造完成的機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)與3D設(shè)計(jì)圖。

機(jī)器人通過(guò)與其配套的掃地模塊對(duì)地面進(jìn)行清潔工作，掃地模塊是用微型電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃把進(jìn)行掃地動(dòng)作，另一組電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)拖把進(jìn)行拖地動(dòng)作，另外配有微型吸塵器和垃圾箱，從而實(shí)現(xiàn)邊掃邊吸邊拖復(fù)合動(dòng)作。機(jī)器人安裝了與人類手掌相似的機(jī)械手，所以它可以抓取小型物體，是地面清潔更徹底，圖2為機(jī)械爪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在清掃過(guò)程中能通過(guò)超聲波傳感器識(shí)別障礙物，自主拐彎，反復(fù)清掃達(dá)到最大的清潔效果[2]。

使用航模專用2600mA的7.4V鋰電池為機(jī)器人提供充足的電能，航模鋰電池具有能量密度大、電壓高、放電倍率高等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)全身15個(gè)私服電機(jī)來(lái)使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

3.2 機(jī)器人傳感器的研究

機(jī)器人在眼睛處配置了超聲波距離感應(yīng)器，增加了機(jī)器人的壁障能力。控制方式采用了遙控加自主雙控制方式，在外部安裝了紅外接收器，可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行紅外遙控。圖3為紅外傳感器電路圖：

3.3 機(jī)器人芯片及電路的搭建

舵機(jī)控制部分的Arduino舵機(jī)控制板采用先進(jìn)的嵌入式32位ARM單片機(jī)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)靈活自如。為提高機(jī)器人反應(yīng)速度，控制電路采用多核心控制，既用多個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制，各單片機(jī)之間進(jìn)行通信，可大大提高穩(wěn)定性和處理速度。圖4為舵機(jī)控制板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 舵機(jī)控制板

3.4 對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制

機(jī)器人的行走方式高度仿人，在行走時(shí)腳步會(huì)像人一樣擺動(dòng)保持平衡。手臂在抓取物體后可以控制運(yùn)動(dòng)方向和速度，到達(dá)指定位置。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

高智能性是地面清掃機(jī)器人一大的亮點(diǎn)，能自行的對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行判斷，并做出相應(yīng)的動(dòng)作。雙足直立行走是目前家庭服務(wù)機(jī)器人中比較獨(dú)特的設(shè)計(jì)，在復(fù)雜路面具有一定優(yōu)勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]虞漢中，馮雪梅.人形機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程師，2010（7）：3-5.

[2]唐策，趙現(xiàn)朝，齊臣坤.人形機(jī)器人建模與步態(tài)規(guī)劃[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012，41（4）：158-162.

[責(zé)任編輯：王楠]