服務型機器人設計

謝坤

【摘 要】機器人研究在我國開始的時間于20世紀70年代，與發達國家相比起步稍晚，隨著中國的制造業不斷的強大，大型企業越來越多，我國近年來市場不斷的擴大，機器人市場的發展速度不斷的提升。過去3年來，我國機器人市場發展迅猛，年均增長超過40%，增長率居全球首位。機器人主要分為服務機器人和工業機器人兩大類，其中工業機器人應用比較廣泛，比如搬運機器人，焊接機器人，噴涂機器人等。

【關鍵詞】智能;服務機器人;自由度;電驅

1、設計目的及發展潛力

（一）設計目的

進入21世紀，中國經濟和科學技術快速穩定發展，你人們生活生平不斷提高，文化生活日益豐富多彩，對物質和精神文明有了更高的追求，因此催生出對智能服務機器人的剛性需求。

（二）發展潛力

我國政府對服務機器人的發展給予的很多的幫助和扶持，2014年4月1日中華人民共和國科學技術部印發服務機器人科技發展“十二五”專項規劃的通知，以《國家中長期科技發展規劃綱（2006-2020）》為指導，貫徹《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃》精神，落實《國家“十二五”科學和技術發展規劃》提出的重點任務。

2、智能服務機器人的功能及其動作

智能服務機器人主要功能是檢測和感知用戶的動作、語言，與機器人計算機系統儲存的信息，數據進行對比，以作出控制、決策、管理、操作等命令，完成用戶所需要求。

3、智能機器人應用場合

智能機器人可以應用在家庭，完成家庭生活瑣碎的家務，可以看家防止盜竊;可以應用在相關職能部門辦公大廳，起引導，分流，便捷的作用;

4、智能機器人的主體結構

（一）末端執行器

這款機器人采用仿人手的設計理念，結構如圖（1），主要由近指節、滑輪、電位計、絆釘、中指節、遠指節、底座、支板組成，還有各式的傳感器，視覺傳感器等。受驅動源、驅動電路板體積的限制，使驅動器與轉動關節的空間距離較遠且路徑不規則，我們采用腱傳動（繩索傳動）。仿生靈活手共有五個手指，15個自由度，其中四個手指組成完全相同，每根手指共有三個關節，均使用仰俯轉動副;因此它能模仿幾乎人手指完成各種復雜動作。圖（2）、圖（3）是拇指和其余四指的結構簡圖;

（二）手腕

這款智能服務機器人我們采用的是三自由度BBR手腕，使手部具有沿X、Y、Z軸仰俯、偏轉、翻轉運動，即RPY運動。

（三）手臂

對于手臂的設計我們使用的是多自由度的復合運動手臂。

（四）基座

服務機器人應用的比較廣泛，需要去解決人們生活中的瑣碎，，為了滿了人滿的需求，在運動速度上面不能太慢，所以該機構采用了輪式移動機構。具有三個車輪，其中兩只后輪為驅動輪，前輪為方向輪，該設計不僅具有良好的移動速度，同時機器人重心穩重，不易倒地。

5、智能機器人的控制技術

（一）工作原理

智能服務機器人控制系統有一下幾個要素：輸入/輸出設備及裝置、驅動器系統、計算機硬件系統及操作控制軟件、傳感器系統。控制系統的主要作用是根據用戶的指令對機構本體進行操作和控制，完成作業的各種動作。

接口板A、B是上下位機通信的橋梁。上位機經過A、B接口板向下位機發送命令和讀取下位機信息。A板插在上位機的Q-Bus總線上，B板插在下位機的J-Bus總線上，A、B接口板之間通過扁平信號電纜通信。

（二）關節位置伺服控制

從運動控制的角度看，上機位作運動規劃，并將手部的運動轉化成各關節的運動，按控制周期傳給下位機;下位機進行運動的插補運算及對關節進行伺服控制。

（三）各類傳感器

機器人既要對環境狀態作出快速反應和分析判斷，又要長時間持續工作，精確度要求高。對于第一代第二代的機器人來說無法實現，隨著技術的發展，尤其的智能化技術和傳感器技術的進步，為設計的服務機器人更好的智能行為打下了基礎。

1）電位器式位置傳感器

電位器式位置傳感器由1個線繞電阻和1滑動觸電組成。其中，滑動觸電通過機械裝置受被檢測量的控制。當被檢測的位置量發生變化時，滑動觸點也發生位移。應變片加速度傳感器

Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應變片加速度傳感器是由一個板簧支撐重錘所構成的振動系統。板簧上、下兩面分別貼兩個應變片，應變片守振動產生應變，其電阻值得變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測出來。

2）超聲波式接近覺傳感器

超聲波接近覺傳感器的基本元件是電聲變換器。由于同一變換器通常既用于發射又用于接收，因此被測物體距離很小時，需要使聲能很快衰減。使用消聲器和消除變換器與殼體的耦合，可以達到這一目的。

3）導電橡膠壓覺傳感器

在硅中滲入鋁粉或碳粉等導電粉末，硬化后制成硅橡膠。當物體與橡膠表面接觸時，由于壓力引起電位的變化，電信號轉化成數字信號，再通過計算機系統的分析、決策，使執行器作出相應的動作。圖六軸力覺傳感器

4）電容式傳聲器聽覺傳感器

由固定電極和振膜構成一個電容，Up經過電阻R 將一個極化電壓加在電容的固定電極上。但檢測到聲音的傳入后，振膜隨著時間不斷的發生震動，振膜與固定電極間電容量隨著聲音發生進行變化，電容的阻抗也隨之變化;與其串聯R 的負載電阻的阻值是固定的，電容的阻抗變化就表現為a點電位的變化。

5）視頻攝像頭視覺傳感器

視頻攝像頭是一種廣泛使用的景物和圖像輸入設備，它能將景物、圖片等光學信號轉化為電視信號或圖像數據。由于單個視頻攝像頭只能形成二維圖像，故我們采取兩個視頻攝像頭。

智能服務機器人要完成一個動作是一個復雜的過程，它必須經過機器人感知、決策、執行三個階段。智能機器人的總體特征

（一）智能服務機器人的外貌特征

這款智能服務機器人它的手采用的是仿生靈活手，能完成類似于人類的各種動作;而手臂和手腕采用的是與一般智能機器人的機械結構;它的頭部最大特點就是用于兩個檢測物體的紅外線攝像頭作為這款智能服務機器人的眼睛，頭的兩側沒有像人類一樣的耳朵，取而代之是用于收集各種聲波的聽覺傳感器機構。

（二）智能機器人的優缺點

優點：

1）這款機器人應用場合廣，服務人群多，易于推廣使用。

2）它的機械結構設計好，有較多的自由度，能完成各種動作。

3）它具有良好的感知、決策、分析及學習的能力，精度高，效率好。

4）移動速度快，執行能極強。

缺點：

1）體型笨重，外形設計不夠完美。

2）由于使用時輪式移動機構，故不能完成上下樓的動作。

參考文獻：

[1]李云江.機器人概論.機械工業出版社，，2014.

[2]孫增析.智能控制理論與技術.清華大學出版社1，997

[3]王炎.機械人控制技術.機械工業出版，1997

[4]孫志欣.智能輪式移動機器人的控制系統設計：（學位論文）;遼寧：遼寧師范大學，2010

[5]應用機器人學：運動學、動力學與控制技術（原書第2版）機械工業出版，2018

（作者單位：中山市技師學院）