家用服務機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)

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(yè)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(jīng)深入到人們生產(chǎn)、生活和社會各個領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(diào)的、有害健康和危險的生產(chǎn)作業(yè)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(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)動四輪小車后輪。這樣既可實現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)、水平、垂直運動及手爪的傾斜、旋轉(zhuǎn)、夾緊、松開運動，也可實現(xiàn)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(fā)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(qū)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(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)是多功能家用機器人完成抓取工件，實現(xiàn)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(gòu)等.驅(qū)動系統(tǒng)為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)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?？刂葡到y(tǒng)是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。檢測系統(tǒng)的作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。另外本機還有配重系統(tǒng)，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(zhì)量零部件布置在與腕部相對的另一端。底部小車的主體結(jié)構(gòu)包括底盤、車身、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等，對于小車而言，轉(zhuǎn)向機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計是很重要的，只有嚴格按照阿克曼原理設(shè)計出合理的零件長度才能使小車平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，而不至于出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由于平面等腰梯形連桿機構(gòu)最常見且加工方便，所以設(shè)計采用平面等腰梯形連桿機構(gòu)小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

具體的機械結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)有驅(qū)動電機，小車架的外側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)向裝置，小車架的下端設(shè)有車輪，車輪連接轉(zhuǎn)向裝置；底座中心上端通過螺栓連接大臂，底座的上端設(shè)有大臂電機，大臂電機通過皮帶輪連接設(shè)在底座上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂內(nèi)底端的齒圈，大臂的側(cè)上端設(shè)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(shè)有中臂電機，中臂電機連接調(diào)整絲杠，調(diào)整絲杠連接中臂中間的絲母，大臂的上端中間鉸接小臂調(diào)節(jié)桿，小臂調(diào)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(nèi)設(shè)有小臂并伸出支撐軸外側(cè)，小臂的前端安有旋轉(zhuǎn)腕，旋轉(zhuǎn)腕的前端設(shè)有機械手，機械手的根部旋轉(zhuǎn)腕內(nèi)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(shè)有傘齒輪與旋轉(zhuǎn)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(wèi)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(nèi)設(shè)有驅(qū)動電機，小車架15的外側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)向裝置17，小車架15的下端設(shè)有車輪16，車輪16連接轉(zhuǎn)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(shè)有大臂電機13，大臂電機13通過皮帶輪連接設(shè)在底座14上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂12內(nèi)底端的齒圈，大臂12的側(cè)上端設(shè)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(shè)有中臂電機6，中臂電機6連接調(diào)整絲杠8，調(diào)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(diào)節(jié)桿10，小臂調(diào)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(nèi)設(shè)有小臂3并伸出支撐軸外側(cè)，小臂3的前端安有旋轉(zhuǎn)腕2，旋轉(zhuǎn)腕2的前端設(shè)有機械手1，機械手1的根部旋轉(zhuǎn)腕2內(nèi)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(shè)有傘齒輪與旋轉(zhuǎn)腕2上的傘齒輪嚙合。

底座14內(nèi)可放置蓄電池或外接交流電源并設(shè)置無線接收裝置，無線遙控裝置將指令發(fā)送給接收裝置，接收裝置可按指令驅(qū)動電機將小車15前移或后退，其方向由轉(zhuǎn)向裝置17改變小車15的轉(zhuǎn)向，到達指定地點后，通過調(diào)節(jié)小臂調(diào)節(jié)桿10和調(diào)整絲杠8來調(diào)整小臂3的仰俯角度，腕部電機5將旋轉(zhuǎn)腕2調(diào)節(jié)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(nèi)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(jié)論

隨著社會不斷向前發(fā)展，科學技術(shù)日新月異，人們的生活水平不斷提高，生活節(jié)奏也不斷加快。在人們的觀念中，對生活質(zhì)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(huán)境舒適和關(guān)注生活的輕松氛圍。所設(shè)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(zhì)量，為家庭生活帶來了很大的方便。

[1]蔡自興.機器人學[M].北京:清華大學出版社,2005:24-26.

[2]王勁松,馬履中.新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)及其運動分析[J].江蘇大學學報,2004(02):32-33.

[3]豐日美.裝卸機機械手的設(shè)計優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù),2011(05):25-28.

[4]白雪.機械與電氣控制技術(shù)[M].西北工業(yè)大學出版社,2008:32-59.

[5]劉廣瑞.機器人創(chuàng)新制作[M].西北工業(yè)大學出版社,2007:36-37.