智能服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)用

谷良田 梁禮賢 程仁煌 黎坤華 林孔鵬

摘要：國家提出的科技強(qiáng)國戰(zhàn)略以來，我國科技研發(fā)事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，能力得到了全方位提升和突破。針對人們的收入水平、消費(fèi)水平的不斷提高，同時(shí)工作壓力也不斷增大，人們極想從繁瑣的勞動家務(wù)中解放出來這一問題，我們對智能服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，使其能夠采用機(jī)械手將垃圾拾取到自帶垃圾桶和吸塵器自動吸塵的方式，從而完成家庭垃圾清理的功能。

關(guān)鍵詞：智能家居;清潔機(jī)器人;設(shè)計(jì);應(yīng)用

1.引言

隨著科技水平的不斷提高，機(jī)器人已不再只用于工業(yè)化生產(chǎn)，而是逐漸出現(xiàn)在家庭生活中，人們對智能家用機(jī)器人也不再陌生;同時(shí)，現(xiàn)代生活節(jié)奏不斷加快，人們不僅要忙于繁重的工作與應(yīng)酬，還要處理各種各樣的家務(wù)，因此我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款低成本，功能齊全的智能清潔機(jī)器人，以此更好地追求高品質(zhì)的生活。文章就智能服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)用做出相應(yīng)的概述，具有一定的參考價(jià)值。

2.智能服務(wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能服務(wù)機(jī)器人由1--底座移動輪組、2--可伸縮吸塵器、3--機(jī)械手、5--垃圾桶、6--吸塵收集器等基本構(gòu)件組成。結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，易拆卸，易清洗，日常不需要太多維護(hù)， 大大降低了日常維護(hù)頻率。

1）底座移動輪組。底座移動輪組由8個(gè)小移動輪組成，左右各自4個(gè)為一組，分別由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動。在實(shí)際使用中，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位旋轉(zhuǎn)、自主移動。

2）可伸縮吸塵器?？缮炜s吸塵器由可伸縮小液壓缸和吸塵套嘴、底部的直流電機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的吸塵工作。

3）機(jī)械手。機(jī)械手為可伸縮式的直管和四指手爪組成。兩處關(guān)節(jié)連接并且可旋轉(zhuǎn)。每處關(guān)節(jié)分別由舵機(jī)驅(qū)動，大方面地保障了垃圾的拾取工作。

4）垃圾桶和吸塵收集器。垃圾桶和吸塵收集器由空心桶組成，并嵌套在機(jī)器人中部，可替換與摘除，對垃圾收集起到保障作用。

機(jī)器人通過傳感器檢測到所需要清潔的環(huán)境系數(shù)自動識別灰塵程度和垃圾，將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理自動生成控制程序，驅(qū)動機(jī)器人八個(gè)驅(qū)動輪移動到有灰塵或者有垃圾的區(qū)域，吸塵器 1 和吸塵器 2 結(jié)構(gòu)原理相同，所處位置不同，有兩處都可旋轉(zhuǎn)到任意角度，軸為可伸縮式的直管。地面上的灰塵使用吸塵器 2 進(jìn)行吸塵工作，墻壁有灰塵則使用吸塵器 1 進(jìn)行吸塵工作， 地面上的垃圾通過機(jī)械手的四爪結(jié)構(gòu)拾取垃圾放進(jìn)垃圾桶，底座移動輪由 8 個(gè)驅(qū)動輪和基座組成 垃圾桶可自由裝卸。智能服務(wù)機(jī)器人可以邊吸塵邊拾取垃圾，也可獨(dú)立工作，是一種方便高效家用服務(wù)型清潔機(jī)器人，如圖1所示。

3. 智能服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)控制器、視覺感知模塊、捉取控制模塊、電源模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊組成系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1）視覺感知模塊。采用OV7670攝像頭模塊進(jìn)行圖像采集，通過opencv算法實(shí)現(xiàn)物體大小及形狀的檢測。反饋圖像到STM32控制器模塊，通過算法分析控制捉取模塊實(shí)現(xiàn)物塊的捉取。

2）控制捉取模塊。為了更加靈活方便，單個(gè)機(jī)械臂共采用4個(gè)舵機(jī)，使用STM32單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)行控制。單片機(jī)通過硬件進(jìn)行計(jì)數(shù)，受外界干擾少，工作可靠。通過控制4個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度機(jī)械手的捉取控制。相對于傳統(tǒng)模擬舵機(jī)，反應(yīng)變得更快，加速和減速時(shí)也更迅速更柔和，使得數(shù)字舵機(jī)提供更高的精度和更好的固定力。

3）電機(jī)驅(qū)動模塊。考慮到機(jī)器人行走裝置、立體結(jié)構(gòu)、各傳感器模塊、機(jī)器人整體重量、工作電壓以及控制方式等因素。采用N20直流減速電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)，工作電壓5V，額定轉(zhuǎn)速66r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1Kg每厘米，以滿足機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)要求。

由于采用八輪驅(qū)動，采用四個(gè)DRV8833雙驅(qū)動模塊，可用來驅(qū)動電機(jī)。該模塊相對于傳統(tǒng)的TB6612FNG效率上提高很多，體積小，工作電壓低，在額定范圍內(nèi)芯片基本不發(fā)熱。可簡單方便地實(shí)現(xiàn)直流減速電機(jī)地控制，簡化了電路的結(jié)構(gòu)。

3.1?物體識別和定位算法

單目視覺識別是指只使用一個(gè)攝像頭完成物體識別的技術(shù)，采用opencv算法配合ov7670攝像頭模塊對物體進(jìn)行大小與結(jié)構(gòu)識別，在精度要求相對較低、場景簡單開闊的平臺，單目視覺識別在識物體識別和定位算法領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景。識別物體一次只需要2至4毫秒，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

4.智能服務(wù)機(jī)器人功能

該智能服務(wù)機(jī)器人能夠憑借一定的人工智能，自動在家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境完成清潔工作，一般采用機(jī)械手將垃圾拾到自帶垃圾桶和吸塵器吸塵的方式，從而完成地面清理的功能，也可以在公園、廣場、遠(yuǎn)動場等室外環(huán)境進(jìn)行垃圾撿拾工作。機(jī)身為自動化技術(shù)的可移動裝置，配有集塵盒的真空吸塵裝置和垃圾桶，配合機(jī)身設(shè)定控制路徑，在室內(nèi)反復(fù)行走，如：沿邊清掃、集中清掃、隨機(jī)清掃、直線清掃等路徑打掃，并輔以邊拾取垃圾。這樣可以加強(qiáng)打掃效果，以完成擬人化清潔效果。

4.1?自動吸塵

該智能服務(wù)機(jī)器人使用結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)可伸縮吸塵器和吸塵收集器組成吸塵系統(tǒng)。吸塵器1和吸塵器2結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示，所處位置分別為一左一右，分別由直流電機(jī)驅(qū)動。當(dāng)機(jī)器人檢測到灰塵時(shí)，系統(tǒng)做出相應(yīng)反應(yīng)，攝像頭和傳感器發(fā)出指令，機(jī)器人移動到相對應(yīng)的位置，可伸縮吸塵器開始工作。吸塵器可根據(jù)所在灰塵的位置不同，伸縮與旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到預(yù)訂的吸塵結(jié)果。

4.2?自動拾取對應(yīng)垃圾

該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)垃圾的拾取功能，以彌補(bǔ)吸塵裝置對大物體垃圾不可吸取的缺點(diǎn)。抓取系統(tǒng)分別由三節(jié)機(jī)械手軸和四指手爪組成，分別由360度和180度的舵機(jī)驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)抓取的功能。機(jī)械手軸為可伸縮式的直管，交接處關(guān)節(jié)連接并且可旋轉(zhuǎn)，當(dāng)系統(tǒng)識別物體時(shí)，傳達(dá)相對應(yīng)的指令，機(jī)械手可繞著Z軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)和X軸180°旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取的功能。這樣，該機(jī)器人不僅可以吸收地上的灰塵，還可以清潔大顆粒的垃圾，實(shí)現(xiàn)大范圍的清潔，實(shí)現(xiàn)更智能化的清潔，四爪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.3?自動識別路徑

該智能服務(wù)機(jī)器人使用充電電池運(yùn)作，操作方式以遙控器、或是機(jī)器上的操作面板進(jìn)行;可以設(shè)定時(shí)間預(yù)約清理，自行充電，自帶充電系統(tǒng)。機(jī)器人前方設(shè)有傳感器與攝像頭，可偵測障礙物，如碰到墻壁或其他障礙物，會有選擇地自行轉(zhuǎn)彎，同時(shí)也可自動識別垃圾和灰塵程度，將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理自動生成控制程序，從而有規(guī)劃地清掃。除了清理功能，該機(jī)器人還具備放置芳香劑、驅(qū)蚊劑和光觸媒殺菌等功能。

5.結(jié)語

本文從實(shí)際出發(fā)，解決了當(dāng)下家庭清潔方面勞動繁雜，人工成本過高等問題。對智能家居服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更加便捷，易于操作。本設(shè)計(jì)讓機(jī)器人具有自動吸塵，自動撿拾垃圾，放置芳香劑等功能，大大提高了生活工作效率。不論是哪一功能，我們從實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)符合常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，對智能清潔服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，使其發(fā)揮出最大功能。

參考文獻(xiàn)

[1]徐勝華.基于STM32 的智能掃地機(jī)器人研究與設(shè)計(jì)[D]，廣西師范大學(xué)，2016

[2]陳泳.智能掃地機(jī)器人電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，軟件導(dǎo)刊，2016 15（2）：93-95.

[3]陳偉安，李明賢，徐東鎮(zhèn)，等.一種智能拖地機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[J]，機(jī)械，2019（6）：66-70.

[4]簡毅，高斌，張?jiān)?一種室內(nèi)掃地機(jī)器人全遍歷路徑規(guī)劃方法研究[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2018（1）：32-34.

[5]李麗蘭，葉雙清.清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃專利技術(shù)綜述[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（23）：21.

基金項(xiàng)目：北部灣大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202011607121）;

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