家用服務機器人的結構設計與開發(fā)

家用服務機器人的結構設計與開發(fā) 【摘要】介紹多功能家居服務機器人的組成、主要性能參數(shù)和機器人的運動分析，進行了結構設計和控制系統(tǒng)的設計。可通過程序或手柄遙控兩種方法來控制機器人的所有運動，實現(xiàn)對室內物品的夾取和整理，并運送到指定位置，以更好的方便人們生活。 【關鍵詞】服務型機器人；六自由度；程序控制 機器人學的進步與應用是二十世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義的自動化，尤其在當今的工業(yè)制造中，機器人學已取得了偉大的成就。進入二十一世紀，人們越來越感受到機器人已經深入到人們生產、生活和社會各個領域。當前社會家庭服務也迫切需要，一方面社會老齡化越來越嚴重，使很多老人需要被照顧，使社會保障和服務的需求也變的更大，老齡化的家庭結構會使很多的的年輕家庭壓力增大，而且工作的壓力和生活節(jié)奏的加快，也使得年輕人沒有更多的時間陪伴自己的孩子，隨之使家庭服務機器人市場變的更大。另一方面，服務型機器人將會廣泛地代替人力從事各種工作，使人類從繁重的、重復單調的、有害健康和危險的生產作業(yè)中解放出來。 1.家用服務機器人的主要功能 該家用服務機器人機械手爪有夾緊和松開物件的功能，由五個電機驅動五個自由度的運動，由一個電機控制手爪的夾緊和松開以及兩個電機驅動四輪小車后輪。這樣既可實現(xiàn)整體的旋轉、水平、垂直運動及手爪的傾斜、旋轉、夾緊、松開運動，也可實現(xiàn)機器人在地面上的空間全方位運動。該機器人可通過手柄遙控控制，也可通過程序自動控制。從手柄遙控或程序發(fā)出控制信號到各個相應的接收器，再從接收器傳給各個電機，驅動小車以及機器人的運動方向或行程，從而機械手可以夾取或放置物件。多功能家居整理機器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的操作、軌跡和要求進行工作。具體功能模塊如圖1。 2.家用服務機器人的總體結構 總體結構主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)是多功能家用機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身和行走機構等.驅動系統(tǒng)為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動?？刂葡到y(tǒng)是通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。檢測系統(tǒng)的作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求。另外本機還有配重系統(tǒng)，由于自重、承重較大，工作時運動慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動機組件、齒形帶輪等大質量零部件布置在與腕部相對的另一端。底部小車的主體結構包括底盤、車身、轉向機構等，對于小車而言，轉向機構與驅動系統(tǒng)的設計是很重要的，只有嚴格按照阿克曼原理設計出合理的零件長度才能使小車平穩(wěn)的轉向，而不至于出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由于平面等腰梯形連桿機構最常見且加工方便，所以設計采用平面等腰梯形連桿機構小車的轉向機構。 具體的機械結構如圖2所示，家用機械人的底座通過螺栓連接小車架，小車架內設有驅動電機，小車架的外側設有轉向裝置，小車架的下端設有車輪，車輪連接轉向裝置；底座中心上端通過螺栓連接大臂，底座的上端設有大臂電機，大臂電機通過皮帶輪連接設在底座上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂內底端的齒圈，大臂的側上端設有斜向支撐架，大臂上端分別連接中臂、氣缸底端，氣缸的上端連接中臂，支撐架上設有中臂電機，中臂電機連接調整絲杠，調整絲杠連接中臂中間的絲母，大臂的上端中間鉸接小臂調節(jié)桿，小臂調解桿的上端連接支撐軸的后端，中臂的上端橫向鉸接支撐軸，支撐軸的尾端分別安有手部電機、腕部電機，支撐軸內設有小臂并伸出支撐軸外側，小臂的前端安有旋轉腕，旋轉腕的前端設有機械手，機械手的根部旋轉腕內安有扇形齒輪與一軸上的直齒輪嚙合，手部電機通過皮帶輪連接一軸，腕部電機通過皮帶輪連接二軸，二軸的端頭設有傘齒輪與旋轉腕上的傘齒輪嚙合。它可以幫助人們搬運物品還可以進行打掃衛(wèi)生的簡單操作，還可以幫助主人投遞垃圾、拿所需物品，還可以拿一些比較有危險性的物品例如炙熱的烤盤等等。 3.機器人典型工作過程 家用機械人的底座14通過螺栓連接小車架15，小車架15內設有驅動電機，小車架15的外側設有轉向裝置17，小車架15的下端設有車輪16，車輪16連接轉向裝置17；底座14中心上端通過螺栓連接大臂12，底座14的上端設有大臂電機13，大臂電機13通過皮帶輪連接設在底座14上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂12內底端的齒圈，大臂12的側上端設有斜向支撐架11，大臂12上端分別連接中臂7、氣缸9底端，氣缸9的上端連接中臂7，支撐架11上設有中臂電機6，中臂電機6連接調整絲杠8，調整絲杠8連接中臂7中間的絲母，大臂12的上端中間鉸接小臂調節(jié)桿10，小臂調解桿10的上端連接支撐軸18的后端，中臂7的上端橫向鉸接支撐軸18，支撐軸18的尾端分別安有手部電機4、腕部電機5，支撐軸內設有小臂3并伸出支撐軸外側，小臂3的前端安有旋轉腕2，旋轉腕2的前端設有機械手1，機械手1的根部旋轉腕2內安有扇形齒輪與一軸上的直齒輪嚙合，手部電機4通過皮帶輪連接一軸，腕部電機5通過皮帶輪連接二軸，二軸的端頭設有傘齒輪與旋轉腕2上的傘齒輪嚙合。 底座14內可放置蓄電池或外接交流電源并設置無線接收裝置，無線遙控裝置將指令發(fā)送給接收裝置，接收裝置可按指令驅動電機將小車15前移或后退，其方向由轉向裝置17改變小車15的轉向，到達指定地點后，通過調節(jié)小臂調節(jié)桿10和調整絲杠8來調整小臂3的仰俯角度，腕部電機5將旋轉腕2調節(jié)到位，手部電機4通過一軸上的主齒輪23將扇形齒輪向外推開，機械手1張開靠近目標物，然后主齒輪將扇形齒輪向內拉緊夾緊目標物，移動小車15將目標物移動到指定地點，松開機械手1將目標物放下。 4.結論 隨著社會不斷向前發(fā)展，科學技術日新月異，人們的生活水平不斷提高，生活節(jié)奏也不斷加快。在人們的觀念中，對生活質量的要求也越來越高。人們在忙碌的工作下，更多追求生活環(huán)境舒適和關注生活的輕松氛圍。所設計的家用服務機器人能真正滿足人們在生活上所需要，能很好地給予提供服務，保證了家庭服務質量，為家庭生活帶來了很大的方便。 參考文獻 1蔡自興.機器人學M.北京：清華大學出版社，2005：24-26. 2王勁松，馬履中.新型五自由度并聯(lián)機構及其運動分析J.江蘇大學學報，2004（02）：32-33. 3豐日美.裝卸機機械手的設計優(yōu)化J.裝備制造技術，2011（05）：25-28. 4白雪.機械與電氣控制技術M.西北工業(yè)大學出版社，2008：32-59. 5劉廣瑞.機器人創(chuàng)新制作M.西北工業(yè)大學出版社，2007：36-37. 本文受“黑龍江省教育科研十二五重點課題GBB1211062；黑龍江省高等教育教學改革項目；黑龍江省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式改革項目”的資助。 作者簡介：蔡有杰（1966），男，吉林通榆人，現(xiàn)供職于齊齊哈爾大學機電工程學院，主要從事機電方面的教學與研究工作。第 5 頁 共 5 頁