一種三維搬運(yùn)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

諶小平 古學(xué)耿 張彤 王仕康 何泓澤

【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。

【Abstract】With the social progress， the improvement of income level and the maturity of artificial intelligence and robot technology， people begin to pursue a higher quality of life， and the type and number of robots are on the rise. This paper designs a kind of three-dimensional handling robot which is suitable for the family. It mainly analyzes the transmission and program principle of each part to complete? the task from the structure composition and system design.

【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(yǔ)音控制

【Keywords】three-dimensional handling robot; folding manipulator; structure; control system; smart home; voice control

【中圖分類號(hào)】TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）09-0168-03

1 引言

近年來(lái)，中國(guó)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(chǎng)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(lái)越頻繁地出現(xiàn)在銀行、機(jī)場(chǎng)、大型賣場(chǎng)、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(jiǎn)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(zhǎng)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(guò)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(lái)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(lái)，起到防水、防灰、防塵等作用，避免在長(zhǎng)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(jué)。

3 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 視覺(jué)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(wú)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(guò)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(kù)。在緩慢進(jìn)行的過(guò)程中，通過(guò)視覺(jué)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(guò)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(wú)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(guò)接收來(lái)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(chǎng)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 ESP8266語(yǔ)音控制設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用ESP8266 12-E NodeMCU Kit，控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示，高低電頻控制表如圖2所示。

4.2 PLC控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

搬運(yùn)機(jī)械手語(yǔ)音控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分代碼及系統(tǒng)流程圖分別如圖3、圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)以ESP8266 12-E NodeMCU Kit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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