智能家庭服務機器人設計

李欣原　聶子杰

摘要：隨著人們對生活質量要求不斷提高，家庭機器人漸漸走入百姓家。家庭功能性機器人需求日益增長，不同的需求需要數個專門機器人分別實現，對家庭空間和經濟狀況都有較高要求，成為機器人鋪開的一大阻力。文章設計了一款多用途家庭服務機器人SuperCare。通過三類主要機械電氣裝置的組裝結合，能實現機器人的人車雙形態變化。SuperCare機器人同時滿足搬運重物、抓取物品、兒童娛樂的需求，降低人們家務勞動強度。在滿足多種家居智能化需求的同時減少不必要經驗資源與家庭空間的占用。該機器人能幫助現代人提高家居生活品質，也為下一代集成機器人在人機交互設計上提供了新思路。

關鍵詞：家庭服務 機器人 少年兒童 設計人工智能

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）02-0102-04

引言

隨著人類經濟社會的不斷發展、物質文明的不斷提升，人們的生活水平不斷提高，對生活家居的質量要求也不斷提高【1】。使用機器代替人來完成家庭中的清潔衛生、物品搬運、兒童教育、家電控制等任務，將人們從繁雜的家務中接觸放出來，成了當下越來越多人的生活理念。除此之外，近年來人類科技的突飛猛進也使得越來越多的智能家庭機器人從科幻作品以及概念設計，走入尋常百姓的家中，人們對于家庭機器人的接受程度大大提升。未來幾年內嬰幼兒的數量將持續增加，家庭中少年兒童的看護陪伴便顯得尤為重要。

目前的家庭服務機器人功能較為單一，需要配置多個機器人才能滿足人們的需求，成本較高。此外，家庭中仍有許多體力勞動如搬運重物等，在日趨智能化、自動化的當下，人們迫切希望這些工作能夠由機器完成。

中青年對于生活便利性服務的期望大多來自家務活類，如掃地、搬重物、擦玻璃等，也有生活質量方面，如衣服的篩選、整理等。對于3-7歲的孩子們娛樂的方式主要有玩遙控車、玩積木、過家家等。而孩子們對于娛樂方式更多的是會選擇多的種類，單一的娛樂方式很容易讓孩子們產生厭倦心理。為此，我們提出并設計一款新型家庭服務機器人，在家務上不僅能提供日常的便利服務，還能提供一些個性化的便利服務，以滿足中青年高品質的生活要求。同時，在孩子們的娛樂方式上，通過人機交互和一些機械的輔助，幫助孩子們在家庭中完成更多的，屬于他們的娛樂項目，如圖1。

一、設計意義

本設計傾向于機器人的機械結構設計，通過結合功能進行項目結構的詳細設計，由功能出發，采用“自頂而下，逐步求精”的設計思想【2】，設計了三大功能模塊，再由此出發進行詳細的結構設計。最后，本文針對實際情況，使用inventor對機器人進行了設計和分析、包括機械手運動設計、機械腿運動設計，各種傳動機構的設計。對不同的機構進行組合創新、應用創新，最終實現預期目標。其具體設計功能特點在于：

1.在人形機器人狀態下，機器人的移動方式為站立行走，大型機械臂可以幫助家庭成員搬運較重的物品或者把一些物品移動到人手難以到達的高處;小型夾持機械手則能夠幫助家庭成員完成較小物品的拿取、移動，如遞水杯、夾衣服等運動。

2.當機器人不被使用，處于靜止狀態時，其機械腿將彎折至一定角度并鎖死，機械臂自動擺放至水平，整個機器人呈椅子形態，可供家庭成員使用、休息。

3.在車形機器人狀態下，機器人的移動方式為輪胎移動，家庭中的兒童可騎在機器人的背部，機器人作玩具車供兒童娛樂。小型夾持機械手旋轉至豎直，使用者可在背上抓住機械手，以防止意外滑落。

家庭中使用本機器人，人們可以減輕家中體力勞動量，讓兒童得到陪伴與娛樂，提高生活幸福感與品質。

二、設計內容

（一）整體設計

SuperCare家庭服務機器人針對家庭實際場地、人體實際常規尺寸以及家庭服務需求進行了創新性設計，并采用模塊化設計思想，增強了機器人的實用性與功能性。本機器人主要實現對重物的搬運功能、對普通物品的夾取移動功能以及陪伴兒童的娛樂功能。本機器人共分為兩種模式，一種是人形機器人狀態，一種是車型機器人狀態。兩種模式的整體模型圖如圖2、3所示：

（二）機械臂設計，如圖4

機械臂模塊主要分為五部分：上機械臂、下機械臂、驅動輪胎、液壓連接機構以及機械爪。由于本結構主要負責較重物品的搬運，因此采用液壓驅動作為主要動力，增強機械臂的負載能力，當機械臂搬運重物時，機械臂上的小型油泵從裝置總油池中抽取液壓油，驅動機械臂進行運動。除此之外，上機械臂與下機械臂之間還采用彈簧阻尼桿進行輔助連接，通過PID算法確定該系統中MKC的具體值，確保機械臂響應的快速性、穩定性、準確性。機械爪的驅動則選擇普通步進電機配合斜齒、錐齒輪傳動系統，以提高機械手運動的精確性和平穩性，保證安全、準確地夾取所需物品【3】，如圖5。

通過機械臂的機構原理圖可以清晰地看出機械臂的自由度以及各零件部件之間的運動關系，整個機械臂與身體部分之間的旋轉運動通過電機驅動，行星齒輪減速機構進行降速以及旋轉，行星減速器體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長、運轉平穩、噪聲低的特點，動力由電機主軸輸出至減速器的太陽輪，太陽輪帶動環繞其周圍的三個行星輪轉動，減速器的最外圈是一個固定的內齒輪，三個行星輪與之嚙合并圍繞其中心作公轉運動，行星輪帶動一個三爪行星架繞中心進行旋轉，三爪行星架的另一端與機械臂相連，當電機旋轉時，機械臂將以所設定減速比而得到速度進行旋轉。該部分的模型圖如圖6所示：

機械臂的驅動輪胎部分位于下機械臂的前端，機械爪的后方，通過電機配合直齒與錐齒輪減速裝置將其帶動，傳動比精準，位移準確4。輪胎表面的人字形設計可以增大輪胎與地面之間的摩擦力，保障車體的安全行駛，該部分齒輪傳動的傳動機構見圖如圖7所示：

1.減速器校核，如圖8

本裝置的機械臂減速裝置采用行星減速機構，根據裝置中行星齒輪的使用條件可知，該行星輪屬低速、中載，重要性和可靠性一般的齒輪傳動動。因此可選用軟齒面齒輪，也可選用硬齒面齒輪。在此選用硬齒面齒輪對其進行校核計算5，其計算過程如下：

太陽輪：45MnB，調質處理HB240-285

行星輪和齒圈：45號鋼.調質處理HB217-286

圓周速度《0.3m/s，所以選擇精度9。

傳動比i=1.5，

根據齒輪的齒根彎曲強度進行設計，

太陽輪參數：

Z=60，YFa=2.80，Ysa=1.55，Ys=4.34

行星輪參數：

Z，=40，YF.=2.40，Ysa=1.67，Yps=4.00

齒圈參數：

Z，=140，Y=2.18，Ys.=1.79，YFs=3.90

m>4.5m，>3.2m;>1.7

太陽輪直徑：d=mz;=5X20=100mm（模數m取5）

行星輪直徑：d，=mz=5X40=200mm

齒圈直徑：dz=mz=5X100=500mm

2.齒輪校核

按照齒面接觸疲勞強度對設計的齒輪進行校核計算，其校核過程如圖9：

Ze——重合度系數，直齒圓柱齒輪傳動取Z=0.85～0.92

Z——材料的彈性系數，彈性系數用以考慮材料彈性模量E和泊松比u對赫茲應力的影響，ZE值列于表2-3中。

在根據材料的彈性系數公式

鍛鋼Z=188.9

因為0《o，故接觸疲勞強度滿足模擬實際使用時的要求。

（三）機械手設計，如圖10、11

夾持機械手主要由電機、齒輪組、液壓推桿、連桿機構以及輸油液壓管道組成，主要負責夾取小型物品如水杯、眼鏡或衣服等【6】。搖桿機構可以使整個機械手的前端全部旋轉，由較大的電機所驅動。另外，有兩個小型電機分別驅動兩個小齒輪，小齒輪將動力傳遞到蝸桿上，蝸桿帶動渦輪轉動，從而帶動整個機械爪的一開一合。

為具體了解機構在真實運動環境下的運動狀態，故選取機器人抓取機械手中的曲柄滑塊機構進行運動仿真7。

賦予曲柄（紅色）一均勻的角速度，便可帶動滑塊（黃色）在導軌上做周期性往復運動，各約束條件設定完成后，通過運動仿真功能對其進行仿真，運動仿真輸出圖示器生成曲線如圖12所示，藍色為滑塊上一點的運動速度，紅色曲線代表該點的位移，綠色曲線則代表該點的加速度。設置曲柄的旋轉速度為30deg/s，得到的軌跡是周期為10，幅值為40的正弦線，表明該機構設計合理。

（四）機械腿設計，如圖13

機械腿是本機器人的特殊結構之一，既能滿足行走，又能滿足輪子行駛。其外觀圖如圖所示，機械腿的結構包括主支撐大腿，小腿，小腿車輪和腳，以及各個部位的連接機構部分。

大腿與主體間的轉動傳動方式采用行星輪減速器，以達到較高的平穩轉動效果，滿足機器人在變形過程中的平穩性。大腿和小腿間的連接部分裝采用液壓彈簧連桿轉動機構，提高了機器人承重能力和受沖擊能力。連接機構的部分裝于大腿與小腿之間，既不會對整體模型造成外形的累贅，又能較好實現承重功能。同時在變形成小車形態后，能作為車輪支撐并實現一定懸掛的緩沖效果，大程度避免了機器人受到沖擊時給機器人小腿帶來大的沖擊，有效延長機器人壽命，提高使用者的乘坐體驗。

小腿尾部安裝車輪，作為機器人變形為車形態后的主動輪，其驅動力來自裝于小腿內側的直流無刷電機，如此設計結構緊湊，可提高傳動效率，同時對小車變形平穩性上也有一定的改善。小腿連接足部，通過液壓阻尼推桿實現機器人行走過程中的沖擊緩沖。阻尼液壓支撐雙桿機構，通過曲柄的導引，實現腳的轉動。同時，液壓桿能實現在行走過程中，通過推桿直接將力傳遞至阻尼液壓器上，能通過阻尼器延長反力作用時間，將等量的沖量進行緩沖，減少電機直連足部時給足部的剛性沖擊。腿部的整體機構原理圖如圖14所示：

腿部的行走機構由曲柄搖桿機構完成，通過對擺桿進行加長折彎設計，實現腿部行走的基本過程，優化曲柄尺寸，將曲柄尺寸設計為52mm，連桿尺寸設計為210mm，大程度減小曲柄搖桿機構配合時的變動程度，提高行走的平穩性。這樣設計，不僅能優化機器人整體結構的緊湊性，對機器人腿部的支撐穩固性也相對較高，大腿與小腿的連接適應性上也會更合理8。

除此之外，考慮到腿部的電機、傳動系統、液壓系統較多，設計時充分考慮了裝置的散熱條件，腿部多處外殼采用鏤空多孔設計，保證系統能夠正常散熱。

接下來對重要零件連桿進行設計校核：

連桿是大機械腿與小機械腿間的連接件，承接裝置小腿以上部分的重力與扭矩，將連桿零件的模型導入AutodeskInventor軟件中的應力分析單元，對其進行應力分析，設定初始參數即材料的性質以及軟件的基礎參數，如表1。

通過受力分析可知，連桿主要受沿軸線方向的壓力和作用于軸孔的扭矩，在應力分析界面中對模型添加合適的約束與載荷，如表2、圖15。

經過分析可得到分析結果與應力分布圖，如表3、圖16：

由仿真分析的數據及變化圖可知，當給定所加載荷時，材料所產生的應力仍在材料的承受極限范圍內，應變較小，設計滿足要求。

（五）主體座椅設計，如圖17

主體座椅模塊主要包括座椅的靠板以及墊板，腿部傳動軸的連接座體，背部固定支架以及頂部的攝像頭組成。當機器人處于人形狀態時，座椅底板3處于平放狀態，家庭成員可以坐在上面進行休息;當機器人處于車形狀態時，座椅靠板1則處于水平狀態，家庭中的兒童可以騎在上面將其作為玩具車進行娛樂。主體座椅模塊作為整個裝置的中間組成部分，要承受來自上下兩部分的載荷，因此需要穩固的結構保證其強度，通過INVENTOR軟件自帶的應力分析功能可以對其進行分析。除此之外，主體座椅的背后安裝有彈簧阻尼減震器，可以提高裝置整體的承載能力，保證了機器人運動時的安全，也可以提高用戶在乘坐時的舒適程度以，如圖18。

座體是位于機器人中部的重要連接件，負責連接整個機械腿部分和軀干部分，主要承受上半部分裝置的重力以及傳動軸產生的扭矩，將座體零件的模型導入AutodeskInventor軟件中的應力分析單元，對其進行應力分析，設定初始參數即材料的性質以及軟件的基礎參數，如表4。

由受力分析可知，座體主要受來自上表面的壓力以及兩端連接軸處的扭矩作用，在應力分析界面中對模型添加合適的約束與載荷，如表5、圖19。

經過分析可得到座體的受力分析結果與應力分布圖，如表6、圖20：

由仿真分析的數據及變化圖可知，當給定所加載荷時，材料所產生的應力仍在材料的承受極限范圍內，應變較小，設計滿足要求。

（六）智能控制模塊

機電一體化和智能控制已經成為當今機械行業的重要發展趨勢，且隨著各種智能家居的興起，家用電器之間的協同工作也變得越來越重要。為實現本家庭服務機器人的正常工作，防止機器在運行時出現與家具或家庭成員發生碰撞或用力大小不均等問題，在機器人內部安裝智能控制模塊，對機器人的運動路徑、施力大小進行合理有效的控制0，下圖為完成一次物品抓取的主要控制流程，如圖21：

三、設計特點

（一）伺服電機配合齒輪傳動保證機械臂和機械腿能夠穩定、精準、快速地運動。（二）阻尼系統配合液壓傳動裝置提高機器人的承載與運載能力。（三）機器人外形為椅子類家居設計，造型美觀、裝飾性強，易于推廣。（四）智能攝像頭自動規避前進路線上的障礙物，保障家庭成員安全。（五）模塊化的組合式設計使機器人易于裝配，同時也降低了機器人損壞的概率。

四、前景

本機器人造型美觀，既是功能強大的家庭服務設備，也是一件裝飾性十足的家庭組成部分。該機器人設計合理，各項設計均符合設計標準，安全可靠且功能豐富，具有較高的實用性能，在家庭設備日趨自動化且家庭服務機器人市場占有量極少的今天，本機器人具有廣闊的市場化推廣前景。

結語

本機器人優良的結構設計，保證其能夠在協助家庭成員完成眾多體力勞動的同時，還可作為家庭中青少年的保護與陪伴者，減輕了中青年家庭成員的勞動負擔，保障了兒童的日常娛樂與安全。對未來家居機器人設計有參考意義。

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