家庭環衛機器人的設計

單智超 陳舉旺 孫宇揚

摘要：隨著人們對生活質量要求不斷提高，家庭環衛機器人漸漸走入百姓家。家庭功能性機器人需求日益增長，不同的需求需要數個專門機器人分別實現，對家庭空間和經濟狀況都有較高要求，成為機器人鋪開的一大阻力。文章設計了一款多用途家庭環衛服務機器人。機器人同時滿足搬運重物、抓取物品、遠程監控的需求，并且有比較高的精度確定，降低人們家務勞動強度，高效完成操作任務。在滿足多種家居智能化需求的同時減少不必要經驗資源與家庭空間的占用。

關鍵詞：家庭環衛;節約高效;全面控制;

1、緒論

1.1課題研究背景及意義

我們知道，工業革命經歷了機械化、電氣化、自動化幾個階段。我們國家已經進人到自動化的階段。而自動化的代表就是機器人，所以機器人產業的發展是非常必要的，也是順應國家經濟產業轉型的潮流。同時我們也應該看到中國機器人表面輝煌背后的黯淡。我們國內機器人產業雖然很熱，但85%的產品還是依賴進口，瑞士ABB、日本發那科公司等長期占據中國機器人產業70%的市場份額。綜合來看，我們確實有非常大的市場，但前提是要打牢基礎，機器人的發展潛力非常大。尤其是中國進入老齡化社會，我們的老年人，有些日常工作可能完成不太方便，所以需要機器人來完成;再有就是商場也需要無時無刻的清掃，并且機器人還可以做活的廣告機;在銀行我們不僅可以打掃，還可以做推廣業務。

1.2國內外研究現狀和研究問題

目前市面上的家庭環衛機器人大多都是以掃地機器人為主導建立的，功能模式相對單一，對于家庭服務型來說，市面上大多是實現語言對話，老人陪伴的作用，多功能可實現監控的機器人的研發是不可避免的。

在機器人智能感知方面。設計完整的機器人視覺感知系統，打造微傳感、高智能化的感控一體的芯片是十分重要的發展方向，將在機器人的三維識別、SLAM技術，機器人測量等方面的應用產生深遠的影響。在機器人控制技術方面，機器人的柔順控制、機器人智能控制和多機器人協同控制都是當下的研究熱點。其應用中都體現出了基于深度學習、強化學習的機器人控制技術。任務分配、復雜任務精準配置都是機器人控制技術需要研究的內容。機器人除了智能感知和智能控制，還需要穩定有效的關節，機器人關節是其執行機構的關鍵部件。機器人要完成復雜的任務作業還需要有靈巧的手，因此靈巧的手是機器人的一個關鍵技術。基于這些技術可以把機器人集成創新，形成機器人系統應用，可以打造服務環衛機器人。

2、機械系統總體設計

2.1外部機械模型設計

機械手：機械手和機械臂可以分離，可以更換不同的機械手從而實現多樣化的功能。比如可以安裝清潔類的機械手，可以打掃屋子多角度、多方位，更加靈活，清潔效果更好;還可以安裝抓取類的機械手，可以實現端水，幫忙拿取東西，以給用戶更方便舒適的體驗。

聯軸器：機器人的前半身和后半身通過聯軸器連接，它們可以分離。連接不同的后半身可以實現多樣的用途。比如可以存放垃圾做移動垃圾桶，也可以做移動桌椅隨時提供休息娛樂的場所。

攝像頭：機器人前后裝有兩個攝像頭，可以360度旋轉，全方位地觀測周圍環境，提高工作效率。

云臺：給機械臂提供基座，配合機械臂完成動作，提高工作效率。

2.2機械設計的好處

1）速度快：采用了輕質器件、高功率微信性馬達，提高了速度，從而縮短了循環周期的時間，提高生產效率。

2）精度高：六軸工業機械手采用高質量、高性能諧波減速機，使在運行過程中不斷重復定位，保證精度。質量受影響較小，因此保證了產品的質量。

3）封性好：各軸間完全密封，可以提高機械臂的使用壽命。

3、控制系統總體設計

3.1系統設計

系統主要包括上位機、云服務器、信息采集等。環衛機器人的控制系統主要由主控單元、振動系統和人機接口組成，GPS和攝像頭采集位置信息和周圍環境的雷達信息，地圖位置以及對圖像信息采集。然后通過上位機的信息傳輸通信協議對數據進行傳輸，遠程同步機器人群體的實時地圖位置，實現遠程操控，對機器人的工作模式進行選擇，因為機器人在運行時要執行大量的圖像處理，所以我們會在機器人的服務程序中引入OpenCV圖像處理的API，以Google地圖接口，為機器人提供圖像處理和路線規劃，從而機器人進行會垃圾的識別分類，將垃圾清理并將其放置在指定位置，完成后駛向下一個工作地點，期間會躲避行人和障礙物。

3.2 GPS模塊

GPS模塊是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路。采用SIRF三代芯片組的GPS模塊，它的特點是定位時間快，高度感強，抗干擾性能好，功耗低，省電，體積小，性價比高。

3.3 攝像頭模塊

攝像頭模組，簡寫為CCM。CCM 包含四大件： 鏡頭、傳感器、軟板、圖像處理芯片。決定一個攝像頭好壞的重要部件是：鏡頭、圖像處理芯片、傳感器。CCM的關鍵技術為：光學設計技術、非球面鏡制作技術、光學鍍膜技術。利用兩個攝像頭 獲取圖片的細微差異，計算得到視差圖并將連續的兩幅 視差圖進行差分與乘積，獲得包含深度信息的前景圖像，最后利用直方圖定位確定目標物體。

3.4 上位機系統

上位機是指可以直接發出操控命令的計算機，一般是PC/host computer/master computer/upper computer，屏幕上顯示各種信號變化。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機。上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據（一般為模擬量），轉換成數字信號反饋給上位機。

4、結論

本項目的背景是基于普通的家用機器人大部分只有清理簡單衛生的功能，對于其本身的資源是有余的，利用其原基礎上加上垃圾識別，分類，采取靈活的機械手臂實現原來的普通機器人不可以完成的任務，譬如對于墻角的清理，對此還可以實現對于用戶的簡單要求，像端水，幫助提取一些物品之類的簡單操作，在一定的程度上加強使用者的體驗。

參考文獻

[1]智能家庭服務機器人設計[J].李欣原，聶子杰.2021（02）

[2]賈寧.基于雙目視覺的家庭機器人的目標識別與檢測[J].現代電子技術，2017，40（23）

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃（項目號 202010201032）資助項