智能擦拭機(jī)器人

楊承坤

（西南石油大學(xué)，四川 成都610500）

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)概述

該機(jī)器人主要由全向輪底盤、升降機(jī)構(gòu)、機(jī)械擦手、機(jī)械抓手、水箱清洗機(jī)組成。

圖1 整體機(jī)構(gòu)三維圖

1.2 控制系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)采用32 位ARM 內(nèi)核控制器和博通BCM 處理器組成一個(gè)雙核的控制系統(tǒng)。采用全向輪底盤作為承重和移動(dòng)機(jī)構(gòu)；采用激光雷達(dá)構(gòu)建室內(nèi)地圖；超寬帶定位技術(shù)用以確定機(jī)器人在室內(nèi)的位置；采用超聲波收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障；采用雙目視覺實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體識(shí)別及定位；采用6 自由度機(jī)械手作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物體的抓取和桌面的擦拭。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 底盤

機(jī)器人采用帶有全向輪的底盤，底盤上包括MD60 行星減速電機(jī)、軸承電機(jī)支座、全向輪、鋁型材等。

2.2 升降機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)由鋁型材、滑軌、滑塊、同步帶、同步帶輪、步進(jìn)電機(jī)、支撐板等組成。鋁型材作為升降機(jī)構(gòu)的支架，在機(jī)器人前方的鋁型材支架兩側(cè)安裝滑軌，支撐板左右兩（轉(zhuǎn)下頁(yè)）側(cè)與滑塊進(jìn)行連接，其后側(cè)與同步帶進(jìn)行連接。通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)支撐板上升或下降。

圖2

圖3 目標(biāo)物體的定位及抓取流程圖

2.3 機(jī)械擦手與抓手

采用6 自由度的機(jī)械擦手和機(jī)械抓手，實(shí)現(xiàn)不同平面的擦拭與不同物體的抓取。機(jī)械擦手由舵機(jī)、連接桿、擦拭頭、噴水裝置組成。使用時(shí)機(jī)械擦手會(huì)自動(dòng)識(shí)別擦拭平面，先對(duì)待擦拭的平面進(jìn)行噴水處理，然后進(jìn)行擦拭，最后再進(jìn)行清洗擦拭。機(jī)械抓手由舵機(jī)、連接桿、抓手組成。使用時(shí)通過(guò)控制機(jī)械抓手自動(dòng)定位待抓物品并移動(dòng)到其位置處，實(shí)現(xiàn)抓取。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖2）

3.1 底盤控制

底盤內(nèi)置速度位置PID 控制器、MD60 行星減速電機(jī)、500線光電編碼器?？刂破鬏敵鯬WM脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制并接收編碼器脈沖以實(shí)時(shí)改變底盤的運(yùn)動(dòng)速度和方向。

圖4 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

3.2 室內(nèi)導(dǎo)航與避障

此方法首先使用EAILIDAR 激光雷達(dá)掃描室內(nèi)環(huán)境，用采集到的數(shù)據(jù)擬合出室內(nèi)環(huán)境輪廓圖[1]；其次利用DW1000 超寬帶芯片實(shí)現(xiàn)超寬帶技術(shù)確定機(jī)器人的室內(nèi)位置[2]；然后主控處理器結(jié)合目的地信息、室內(nèi)環(huán)境信息和機(jī)器人位置信息，規(guī)劃出機(jī)器人的行進(jìn)路線；最后結(jié)合超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行防碰撞檢測(cè)和路線偏差修正，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和避障的功能。

3.3 目標(biāo)物體的定位及抓取

使用雙目攝像頭采集信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別及定位，根據(jù)獲得的距離信息和方向信息指引小車移動(dòng)到特定物體的正前方，并對(duì)機(jī)械抓手進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)抓取。

3.4 控制流程圖(圖3、4)

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能擦拭機(jī)器人可自動(dòng)擦拭桌面、櫥窗等水平或垂直平面，能自動(dòng)識(shí)別并抓取物品，且整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)明、實(shí)現(xiàn)容易、成本造價(jià)相對(duì)較低，擁有良好的市場(chǎng)前景與改進(jìn)空間。