服務(wù)型機(jī)器人設(shè)計(jì)

謝坤

【摘 要】機(jī)器人研究在我國(guó)開始的時(shí)間于20世紀(jì)70年代，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步稍晚，隨著中國(guó)的制造業(yè)不斷的強(qiáng)大，大型企業(yè)越來(lái)越多，我國(guó)近年來(lái)市場(chǎng)不斷的擴(kuò)大，機(jī)器人市場(chǎng)的發(fā)展速度不斷的提升。過(guò)去3年來(lái)，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展迅猛，年均增長(zhǎng)超過(guò)40%，增長(zhǎng)率居全球首位。機(jī)器人主要分為服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人兩大類，其中工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用比較廣泛，比如搬運(yùn)機(jī)器人，焊接機(jī)器人，噴涂機(jī)器人等。

【關(guān)鍵詞】智能;服務(wù)機(jī)器人;自由度;電驅(qū)

1、設(shè)計(jì)目的及發(fā)展?jié)摿?/p>

（一）設(shè)計(jì)目的

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)快速穩(wěn)定發(fā)展，你人們生活生平不斷提高，文化生活日益豐富多彩，對(duì)物質(zhì)和精神文明有了更高的追求，因此催生出對(duì)智能服務(wù)機(jī)器人的剛性需求。

（二）發(fā)展?jié)摿?/p>

我國(guó)政府對(duì)服務(wù)機(jī)器人的發(fā)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(guó)科學(xué)技術(shù)部印發(fā)服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃的通知，以《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱（2006-2020）》為指導(dǎo)，貫徹《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃》精神，落實(shí)《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》提出的重點(diǎn)任務(wù)。

2、智能服務(wù)機(jī)器人的功能及其動(dòng)作

智能服務(wù)機(jī)器人主要功能是檢測(cè)和感知用戶的動(dòng)作、語(yǔ)言，與機(jī)器人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)儲(chǔ)存的信息，數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合

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

4、智能機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)

（一）末端執(zhí)行器

這款機(jī)器人采用仿人手的設(shè)計(jì)理念，結(jié)構(gòu)如圖（1），主要由近指節(jié)、滑輪、電位計(jì)、絆釘、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)、底座、支板組成，還有各式的傳感器，視覺傳感器等。受驅(qū)動(dòng)源、驅(qū)動(dòng)電路板體積的限制，使驅(qū)動(dòng)器與轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的空間距離較遠(yuǎn)且路徑不規(guī)則，我們采用腱傳動(dòng)（繩索傳動(dòng)）。仿生靈活手共有五個(gè)手指，15個(gè)自由度，其中四個(gè)手指組成完全相同，每根手指共有三個(gè)關(guān)節(jié)，均使用仰俯轉(zhuǎn)動(dòng)副;因此它能模仿幾乎人手指完成各種復(fù)雜動(dòng)作。圖（2）、圖（3）是拇指和其余四指的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖;

（二）手腕

這款智能服務(wù)機(jī)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(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即RPY運(yùn)動(dòng)。

（三）手臂

對(duì)于手臂的設(shè)計(jì)我們使用的是多自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)手臂。

（四）基座

服務(wù)機(jī)器人應(yīng)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(yùn)動(dòng)速度上面不能太慢，所以該機(jī)構(gòu)采用了輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。具有三個(gè)車輪，其中兩只后輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為方向輪，該設(shè)計(jì)不僅具有良好的移動(dòng)速度，同時(shí)機(jī)器人重心穩(wěn)重，不易倒地。

5、智能機(jī)器人的控制技術(shù)

（一）工作原理

智能服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)有一下幾個(gè)要素：輸入/輸出設(shè)備及裝置、驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及操作控制軟件、傳感器系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的主要作用是根據(jù)用戶的指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制，完成作業(yè)的各種動(dòng)作。

接口板A、B是上下位機(jī)通信的橋梁。上位機(jī)經(jīng)過(guò)A、B接口板向下位機(jī)發(fā)送命令和讀取下位機(jī)信息。A板插在上位機(jī)的Q-Bus總線上，B板插在下位機(jī)的J-Bus總線上，A、B接口板之間通過(guò)扁平信號(hào)電纜通信。

（二）關(guān)節(jié)位置伺服控制

從運(yùn)動(dòng)控制的角度看，上機(jī)位作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并將手部的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，按控制周期傳給下位機(jī);下位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)運(yùn)算及對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制。

（三）各類傳感器

機(jī)器人既要對(duì)環(huán)境狀態(tài)作出快速反應(yīng)和分析判斷，又要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，精確度要求高。對(duì)于第一代第二代的機(jī)器人來(lái)說(shuō)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其的智能化技術(shù)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，為設(shè)計(jì)的服務(wù)機(jī)器人更好的智能行為打下了基礎(chǔ)。

1）電位器式位置傳感器

電位器式位置傳感器由1個(gè)線繞電阻和1滑動(dòng)觸電組成。其中，滑動(dòng)觸電通過(guò)機(jī)械裝置受被檢測(cè)量的控制。當(dāng)被檢測(cè)的位置量發(fā)生變化時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)也發(fā)生位移。應(yīng)變片加速度傳感器

Ni-Cu或Ni-Cr等金屬電阻應(yīng)變片加速度傳感器是由一個(gè)板簧支撐重錘所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)。板簧上、下兩面分別貼兩個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片守振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值得變化通過(guò)電橋電路的輸出電壓被檢測(cè)出來(lái)。

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(fā)射又用于接收，因此被測(cè)物體距離很小時(shí)，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(dá)到這一目的。

3）導(dǎo)電橡膠壓覺傳感器

在硅中滲入鋁粉或碳粉等導(dǎo)電粉末，硬化后制成硅橡膠。當(dāng)物體與橡膠表面接觸時(shí)，由于壓力引起電位的變化，電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、決策，使執(zhí)行器作出相應(yīng)的動(dòng)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(gòu)成一個(gè)電容，Up經(jīng)過(guò)電阻R 將一個(gè)極化電壓加在電容的固定電極上。但檢測(cè)到聲音的傳入后，振膜隨著時(shí)間不斷的發(fā)生震動(dòng)，振膜與固定電極間電容量隨著聲音發(fā)生進(jìn)行變化，電容的阻抗也隨之變化;與其串聯(lián)R 的負(fù)載電阻的阻值是固定的，電容的阻抗變化就表現(xiàn)為a點(diǎn)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(shè)備，它能將景物、圖片等光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電視信號(hào)或圖像數(shù)據(jù)。由于單個(gè)視頻攝像頭只能形成二維圖像，故我們采取兩個(gè)視頻攝像頭。

智能服務(wù)機(jī)器人要完成一個(gè)動(dòng)作是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它必須經(jīng)過(guò)機(jī)器人感知、決策、執(zhí)行三個(gè)階段。智能機(jī)器人的總體特征

（一）智能服務(wù)機(jī)器人的外貌特征

這款智能服務(wù)機(jī)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(dòng)作;而手臂和手腕采用的是與一般智能機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu);它的頭部最大特點(diǎn)就是用于兩個(gè)檢測(cè)物體的紅外線攝像頭作為這款智能服務(wù)機(jī)器人的眼睛，頭的兩側(cè)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(jī)構(gòu)。

（二）智能機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）這款機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合廣，服務(wù)人群多，易于推廣使用。

2）它的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好，有較多的自由度，能完成各種動(dòng)作。

3）它具有良好的感知、決策、分析及學(xué)習(xí)的能力，精度高，效率好。

4）移動(dòng)速度快，執(zhí)行能極強(qiáng)。

缺點(diǎn)：

1）體型笨重，外形設(shè)計(jì)不夠完美。

2）由于使用時(shí)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，故不能完成上下樓的動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)：

[1]李云江.機(jī)器人概論.機(jī)械工業(yè)出版社，，2014.

[2]孫增析.智能控制理論與技術(shù).清華大學(xué)出版社1，997

[3]王炎.機(jī)械人控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版，1997

[4]孫志欣.智能輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（學(xué)位論文）;遼寧：遼寧師范大學(xué)，2010

[5]應(yīng)用機(jī)器人學(xué)：運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)（原書第2版）機(jī)械工業(yè)出版，2018

（作者單位：中山市技師學(xué)院）