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【摘要】伴隨社會(huì)進(jìn)步、收入水平提高以及人工智能與機(jī)器人技術(shù)的成熟，人們開始追求更高的生活品質(zhì)，機(jī)器人的種類與數(shù)量在不斷攀升。論文設(shè)計(jì)了一種適用于家庭的三維搬運(yùn)機(jī)器人，主要從結(jié)構(gòu)組成與系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析其完成任務(wù)的各部分的傳動(dòng)與程序原理。

【關(guān)鍵詞】三維搬運(yùn)機(jī)器人；可折疊機(jī)械臂；結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)；智能家居；語音控制

1引言

近年來，中國人口紅利逐漸消失，人口老齡化、勞動(dòng)力不足以及人力成本上升等原因，人們對(duì)家政服務(wù)的需求提高，家政市場在擴(kuò)大的同時(shí)，服務(wù)價(jià)格也在提升，導(dǎo)致對(duì)服務(wù)機(jī)器人需求逐步增加。伴隨著收入水平持續(xù)提高以及智能AI技術(shù)的成熟，人們也有意愿追求更高品質(zhì)的生活。機(jī)器人越來越頻繁地出現(xiàn)在銀行、機(jī)場、大型賣場、工程建設(shè)、餐廳等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了一種日常生活幫助部分特殊人群完成平時(shí)難以完成工作的機(jī)器人，可以幫助使用者完成危險(xiǎn)工作，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。同時(shí)，可以提供更全面的幫助，可適用于更多領(lǐng)域。

2機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維搬運(yùn)機(jī)器人是自主設(shè)計(jì)的一款簡單的專用于家庭搬運(yùn)機(jī)器人，是由齒輪、杠桿、馬達(dá)、電池、履帶、熱塑性樹脂等零件材料組裝設(shè)計(jì)而成。該搬運(yùn)機(jī)器人伸展最高為180cm，最低可收縮60cm，單機(jī)械臂長度為120cm，機(jī)械底盤高度為40cm，升降臺(tái)最高可至20cm。機(jī)械臂底部平臺(tái)設(shè)置為不可逆的卡扣單向旋轉(zhuǎn)保證機(jī)器精確旋轉(zhuǎn)角度；平臺(tái)上安裝了垂直旋轉(zhuǎn)云臺(tái)連接實(shí)時(shí)圖傳發(fā)射器，通過信號(hào)傳輸可在其他設(shè)備收到機(jī)器人實(shí)時(shí)圖傳；機(jī)械臂設(shè)計(jì)為多段折疊關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)各高度下的物品抓取。機(jī)械爪與機(jī)械臂連接部分設(shè)置大功率舵機(jī)使爪部整體為可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，機(jī)械爪下部設(shè)有圖像傳感器用于判斷夾取物體的大小及形狀，傳動(dòng)使用單電機(jī)齒輪帶動(dòng)雙齒輪對(duì)轉(zhuǎn)，齒輪動(dòng)桿配合帶動(dòng)連桿完成夾取動(dòng)作，爪內(nèi)邊緣設(shè)置有軟膠貼片的限位開關(guān)，可保證對(duì)被抓取物品大小判斷出現(xiàn)偏差時(shí)進(jìn)行及時(shí)改變夾取動(dòng)作，不易在夾取物品時(shí)出現(xiàn)損壞。

2.2伸降平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外殼設(shè)置箱體蓋，可用于檢查或者更換內(nèi)置零部件；履帶外圍設(shè)置外殼，則考慮到使用者的安全性以及履帶的防塵保護(hù)作用。馬達(dá)則分別帶動(dòng)左右兩邊履帶，令其可靈活轉(zhuǎn)向行駛，而左右兩邊馬達(dá)則內(nèi)焊一根連桿方可固定；將履帶設(shè)置為機(jī)械手行駛運(yùn)動(dòng)輪，相較于普通車輪可分擔(dān)更多的壓力，以及行駛更為穩(wěn)定。為保證三維搬運(yùn)機(jī)器人在收縮狀態(tài)下體積的最小化，且不影響其運(yùn)行完成更高的任務(wù)，機(jī)械臂下部設(shè)計(jì)安裝升降臺(tái)部分；升降臺(tái)由可再升平臺(tái)、前推桿、后推桿、連桿、馬達(dá)組成。前推桿、后推桿分別支撐平臺(tái)的前后部分，由連桿將前推桿、后推桿固定連接，起到共同支撐的作用。推桿水平部分具有小凹槽，將推桿置于推桿導(dǎo)槽中與馬達(dá)卡扣固定。

2.3外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維搬運(yùn)機(jī)器人定位為家用類服務(wù)機(jī)器人，因此，其外觀美化及安全性與實(shí)用性要求比其他類型機(jī)器人更高。外殼設(shè)計(jì)來源于自然界的節(jié)肢類動(dòng)物，此類動(dòng)物與機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有相似之處。機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)采用鋁合金外殼包裹，在關(guān)節(jié)處用防水布將結(jié)構(gòu)包裹起來，起到防水、防灰、防塵等作用，避免在長期使用后出現(xiàn)短路或結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損等情況。機(jī)械手的手部是模仿螃蟹的蟹鉗設(shè)計(jì)的，帶有光滑的流行線的質(zhì)感，貼切自然，給人以親切的感覺。

3機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1視覺定位

工作前，先需要在工作地點(diǎn)內(nèi)保證有設(shè)置4個(gè)及以上的Wi-Fi/藍(lán)牙信號(hào)，機(jī)器人會(huì)接入連上Wi-Fi/藍(lán)牙后，進(jìn)入設(shè)定的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，判斷此地是否已存在3D地圖可直接使用。如果無地圖可使用將進(jìn)行新地圖的首次掃描，利用伸展臂前面的攝像頭在機(jī)器工作起始點(diǎn)及各轉(zhuǎn)角位置對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行圖像掃描，通過服務(wù)器應(yīng)用合成360度全景并在全景地圖內(nèi)提取特征點(diǎn)，生成匹配的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。在緩慢進(jìn)行的過程中，通過視覺傳感器對(duì)各貨架上物品進(jìn)行掃描，統(tǒng)計(jì)物品形狀、大小及數(shù)量，在服務(wù)器端將所有物品的坐標(biāo)定點(diǎn)，從而定位地圖上不同物品、位置及高度的位置，以便工作時(shí)更好地選擇定點(diǎn)。在掃描完成后，經(jīng)過云端計(jì)算機(jī)計(jì)算形成3D地圖。

3.2信號(hào)定位

在多個(gè)轉(zhuǎn)角位置輸入無線信號(hào)特征，該信號(hào)可以定位機(jī)器位置與幾個(gè)Wi-Fi/藍(lán)牙信號(hào)的直線距離，發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過接收來自不同AP的信號(hào)特征差異，并結(jié)合適當(dāng)?shù)亩ㄎ凰惴ㄓ?jì)算出目標(biāo)的位置信息并添加至地圖內(nèi)；輸入Wi-Fi/藍(lán)牙信號(hào)源與各全景圖點(diǎn)位機(jī)器的直線距離，機(jī)器工作起點(diǎn)為開始圍繞整個(gè)工作場地運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行多次循環(huán)移動(dòng)并計(jì)算空間范圍大小后，上傳數(shù)據(jù)至內(nèi)置服務(wù)器，構(gòu)建并不斷修正3D可視化路標(biāo)特征地圖。

4結(jié)語

設(shè)計(jì)以ESP826612-ENodeMCUKit為控制核心的搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的家庭搬運(yùn)工作，該機(jī)械手是一種設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用的新型機(jī)械手，給出了具體的機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)，該機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓取物品、伸縮、升降運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，可促進(jìn)服務(wù)類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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作者： 諶小平  單位：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院