雙足人型地面清掃機器人設計

王帆　李云芳

【摘 要】本文設計的地面清掃機器人采用十七自由度人型機身，靈活性大大提高。對機器人的硬件結構、傳感方式、芯片及電路的搭建及運動方式的控制方面內進行了設計。并配套掃地吸塵拖地三合一模塊，實現對地板進行全方位的清潔，替代人工清潔。

【關鍵詞】雙足人形；地面清掃；機器人；結構硬件；傳感器

1 研制背景及意義

智能機器人集多學科理論和技術于一體，體現了當代最高意義的自動化。智能家庭服務機器人可以代替人來完成清潔衛生、物品搬運、家電控制等各種家務勞動。本文主要設計雙足人形地面清掃機器人，這種服務機器人在設計上主要遵循人性化、情感化、智能化的原則，在很大程度上“主動服務”于人，能夠自主或者半自主地提供服務，代替人完成枯燥、單調、危險的工作，滿足現代用戶的需求，提高生活質量。

地面清掃機器人將移動機器人技術和吸塵技術有機融合起來，實現地面的半自動或全自動清潔，替代傳統繁重的人工清潔工作。地面清潔機器人將大大降低勞動輕度，提高勞動率，使科技更好的為人類服務，具有廣闊的應用前景。

2 主要功能和性能指標

該機器人系統主要包括運動控制單元、導航與定位單元、傳感器單元、防盜裝置和人機交互單元。頭部安裝的超聲波距離傳感器，可以探測周圍障礙，并在一定范圍內尋找合適路徑，智能性突出。仿人型結構及各關節的控制采用嵌入式ARM單片機，使運動更加靈活緊湊。本設計在清潔衛生這一方面是一大亮點，機器人具有與其配套的掃地吸塵拖地三合一模塊，能對地板進行全方位的清潔。機器人安裝了與人類手掌相似的機械手，所以它可以抓取小型物體，是地面清潔效果更好；且設定好程序就可以使其進行長時間枯燥單調的重復性勞作，解放人類的勞動。因為機器人內置LD3320語音識別模塊，能夠進行人機互動，遠距離操控，達到人性化的操控效果；內還可置歌曲詩詞，表演優美舞蹈，成為孩子們的朋友；該機器人還具有家庭防盜功能，在主人不在家的時候機器人可根據紅外傳感器探測到家里是否有外人的進入，安裝有GSM模塊，若有外人進入能夠立即通知主人。

主要性能指標：

1）語音識別距離：3m±0.5；

2）行走速度：50mm/秒；

3）動作精度：±5mm。

3 設計方案

3.1 機器人硬件結構的設計

本文設計的地面清潔智能機器人采用仿人結構，具有像人一樣的四肢，靈活自如[1]。關節采用數字金屬齒舵機，扭矩大，角度準確。支架采用硬鋁制作，既輕便，又滿足強度要求。機器人主體尺寸為400mm高，具有雙腿、雙腳、雙胳膊和靈活轉動的頭部。雙腿長度為200mm，胳膊為150mm。圖1為已設計制造完成的機器人硬件結構與3D設計圖。

機器人通過與其配套的掃地模塊對地面進行清潔工作，掃地模塊是用微型電動機帶動旋轉掃把進行掃地動作，另一組電動機帶動旋轉拖把進行拖地動作，另外配有微型吸塵器和垃圾箱，從而實現邊掃邊吸邊拖復合動作。機器人安裝了與人類手掌相似的機械手，所以它可以抓取小型物體，是地面清潔更徹底，圖2為機械爪機構簡圖。在清掃過程中能通過超聲波傳感器識別障礙物，自主拐彎，反復清掃達到最大的清潔效果[2]。

使用航模專用2600mA的7.4V鋰電池為機器人提供充足的電能，航模鋰電池具有能量密度大、電壓高、放電倍率高等優點。驅動全身15個私服電機來使機器人運動。

3.2 機器人傳感器的研究

機器人在眼睛處配置了超聲波距離感應器，增加了機器人的壁障能力。控制方式采用了遙控加自主雙控制方式，在外部安裝了紅外接收器，可對機器人進行紅外遙控。圖3為紅外傳感器電路圖：

3.3 機器人芯片及電路的搭建

舵機控制部分的Arduino舵機控制板采用先進的嵌入式32位ARM單片機，關節運動靈活自如。為提高機器人反應速度，控制電路采用多核心控制，既用多個單片機進行控制，各單片機之間進行通信，可大大提高穩定性和處理速度。圖4為舵機控制板結構示意圖。

圖4 舵機控制板

3.4 對機器人運動的控制

機器人的行走方式高度仿人，在行走時腳步會像人一樣擺動保持平衡。手臂在抓取物體后可以控制運動方向和速度，到達指定位置。

4 創新點

高智能性是地面清掃機器人一大的亮點，能自行的對周圍環境進行判斷，并做出相應的動作。雙足直立行走是目前家庭服務機器人中比較獨特的設計，在復雜路面具有一定優勢。

【參考文獻】

[1]虞漢中，馮雪梅.人形機器人技術的發展與現狀[J].機械工程師，2010（7）：3-5.

[2]唐策，趙現朝，齊臣坤.人形機器人建模與步態規劃[J].機械制造與自動化，2012，41（4）：158-162.

[責任編輯：王楠]