雙足人型地面清掃機器人設計

王帆　李云芳

【摘 要】本文設計的地面清掃機器人采用十七自由度人型機身，靈活性大大提高。對機器人的硬件結構、傳感方式、芯片及電路的搭建及運動方式的控制方面內(nèi)進行了設計。并配套掃地吸塵拖地三合一模塊，實現(xiàn)對地板進行全方位的清潔，替代人工清潔。

【關鍵詞】雙足人形；地面清掃；機器人；結構硬件；傳感器

1 研制背景及意義

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

地面清掃機器人將移動機器人技術和吸塵技術有機融合起來，實現(xiàn)地面的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作。地面清潔機器人將大大降低勞動輕度，提高勞動率，使科技更好的為人類服務，具有廣闊的應用前景。

2 主要功能和性能指標

該機器人系統(tǒng)主要包括運動控制單元、導航與定位單元、傳感器單元、防盜裝置和人機交互單元。頭部安裝的超聲波距離傳感器，可以探測周圍障礙，并在一定范圍內(nèi)尋找合適路徑，智能性突出。仿人型結構及各關節(jié)的控制采用嵌入式ARM單片機，使運動更加靈活緊湊。本設計在清潔衛(wèi)生這一方面是一大亮點，機器人具有與其配套的掃地吸塵拖地三合一模塊，能對地板進行全方位的清潔。機器人安裝了與人類手掌相似的機械手，所以它可以抓取小型物體，是地面清潔效果更好；且設定好程序就可以使其進行長時間枯燥單調(diào)的重復性勞作，解放人類的勞動。因為機器人內(nèi)置LD3320語音識別模塊，能夠進行人機互動，遠距離操控，達到人性化的操控效果；內(nèi)還可置歌曲詩詞，表演優(yōu)美舞蹈，成為孩子們的朋友；該機器人還具有家庭防盜功能，在主人不在家的時候機器人可根據(jù)紅外傳感器探測到家里是否有外人的進入，安裝有GSM模塊，若有外人進入能夠立即通知主人。

主要性能指標：

1）語音識別距離：3m±0.5；

2）行走速度：50mm/秒；

3）動作精度：±5mm。

3 設計方案

3.1 機器人硬件結構的設計

本文設計的地面清潔智能機器人采用仿人結構，具有像人一樣的四肢，靈活自如[1]。關節(jié)采用數(shù)字金屬齒舵機，扭矩大，角度準確。支架采用硬鋁制作，既輕便，又滿足強度要求。機器人主體尺寸為400mm高，具有雙腿、雙腳、雙胳膊和靈活轉(zhuǎn)動的頭部。雙腿長度為200mm，胳膊為150mm。圖1為已設計制造完成的機器人硬件結構與3D設計圖。

機器人通過與其配套的掃地模塊對地面進行清潔工作，掃地模塊是用微型電動機帶動旋轉(zhuǎn)掃把進行掃地動作，另一組電動機帶動旋轉(zhuǎn)拖把進行拖地動作，另外配有微型吸塵器和垃圾箱，從而實現(xiàn)邊掃邊吸邊拖復合動作。機器人安裝了與人類手掌相似的機械手，所以它可以抓取小型物體，是地面清潔更徹底，圖2為機械爪機構簡圖。在清掃過程中能通過超聲波傳感器識別障礙物，自主拐彎，反復清掃達到最大的清潔效果[2]。

使用航模專用2600mA的7.4V鋰電池為機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。驅(qū)動全身15個私服電機來使機器人運動。

3.2 機器人傳感器的研究

機器人在眼睛處配置了超聲波距離感應器，增加了機器人的壁障能力?？刂品绞讲捎昧诉b控加自主雙控制方式，在外部安裝了紅外接收器，可對機器人進行紅外遙控。圖3為紅外傳感器電路圖：

3.3 機器人芯片及電路的搭建

舵機控制部分的Arduino舵機控制板采用先進的嵌入式32位ARM單片機，關節(jié)運動靈活自如。為提高機器人反應速度，控制電路采用多核心控制，既用多個單片機進行控制，各單片機之間進行通信，可大大提高穩(wěn)定性和處理速度。圖4為舵機控制板結構示意圖。

圖4 舵機控制板

3.4 對機器人運動的控制

機器人的行走方式高度仿人，在行走時腳步會像人一樣擺動保持平衡。手臂在抓取物體后可以控制運動方向和速度，到達指定位置。

4 創(chuàng)新點

高智能性是地面清掃機器人一大的亮點，能自行的對周圍環(huán)境進行判斷，并做出相應的動作。雙足直立行走是目前家庭服務機器人中比較獨特的設計，在復雜路面具有一定優(yōu)勢。

【參考文獻】

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

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

[責任編輯：王楠]