家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

單智超 陳舉旺 孫宇揚(yáng)

摘要：隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求不斷提高，家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人漸漸走入百姓家。家庭功能性機(jī)器人需求日益增長，不同的需求需要數(shù)個(gè)專門機(jī)器人分別實(shí)現(xiàn)，對(duì)家庭空間和經(jīng)濟(jì)狀況都有較高要求，成為機(jī)器人鋪開的一大阻力。文章設(shè)計(jì)了一款多用途家庭環(huán)衛(wèi)服務(wù)機(jī)器人。機(jī)器人同時(shí)滿足搬運(yùn)重物、抓取物品、遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，并且有比較高的精度確定，降低人們家務(wù)勞動(dòng)強(qiáng)度，高效完成操作任務(wù)。在滿足多種家居智能化需求的同時(shí)減少不必要經(jīng)驗(yàn)資源與家庭空間的占用。

關(guān)鍵詞：家庭環(huán)衛(wèi);節(jié)約高效;全面控制;

1、緒論

1.1課題研究背景及意義

我們知道，工業(yè)革命經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化幾個(gè)階段。我們國家已經(jīng)進(jìn)人到自動(dòng)化的階段。而自動(dòng)化的代表就是機(jī)器人，所以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是非常必要的，也是順應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的潮流。同時(shí)我們也應(yīng)該看到中國機(jī)器人表面輝煌背后的黯淡。我們國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)雖然很熱，但85%的產(chǎn)品還是依賴進(jìn)口，瑞士ABB、日本發(fā)那科公司等長期占據(jù)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)70%的市場(chǎng)份額。綜合來看，我們確實(shí)有非常大的市場(chǎng)，但前提是要打牢基礎(chǔ)，機(jī)器人的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆Ｓ绕涫侵袊M(jìn)入老齡化社會(huì)，我們的老年人，有些日常工作可能完成不太方便，所以需要機(jī)器人來完成;再有就是商場(chǎng)也需要無時(shí)無刻的清掃，并且機(jī)器人還可以做活的廣告機(jī);在銀行我們不僅可以打掃，還可以做推廣業(yè)務(wù)。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究問題

目前市面上的家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人大多都是以掃地機(jī)器人為主導(dǎo)建立的，功能模式相對(duì)單一，對(duì)于家庭服務(wù)型來說，市面上大多是實(shí)現(xiàn)語言對(duì)話，老人陪伴的作用，多功能可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的機(jī)器人的研發(fā)是不可避免的。

在機(jī)器人智能感知方面。設(shè)計(jì)完整的機(jī)器人視覺感知系統(tǒng)，打造微傳感、高智能化的感控一體的芯片是十分重要的發(fā)展方向，將在機(jī)器人的三維識(shí)別、SLAM技術(shù)，機(jī)器人測(cè)量等方面的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在機(jī)器人控制技術(shù)方面，機(jī)器人的柔順控制、機(jī)器人智能控制和多機(jī)器人協(xié)同控制都是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。其應(yīng)用中都體現(xiàn)出了基于深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的機(jī)器人控制技術(shù)。任務(wù)分配、復(fù)雜任務(wù)精準(zhǔn)配置都是機(jī)器人控制技術(shù)需要研究的內(nèi)容。機(jī)器人除了智能感知和智能控制，還需要穩(wěn)定有效的關(guān)節(jié)，機(jī)器人關(guān)節(jié)是其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。機(jī)器人要完成復(fù)雜的任務(wù)作業(yè)還需要有靈巧的手，因此靈巧的手是機(jī)器人的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。基于這些技術(shù)可以把機(jī)器人集成創(chuàng)新，形成機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用，可以打造服務(wù)環(huán)衛(wèi)機(jī)器人。

2、機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1外部機(jī)械模型設(shè)計(jì)

機(jī)械手：機(jī)械手和機(jī)械臂可以分離，可以更換不同的機(jī)械手從而實(shí)現(xiàn)多樣化的功能。比如可以安裝清潔類的機(jī)械手，可以打掃屋子多角度、多方位，更加靈活，清潔效果更好;還可以安裝抓取類的機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)端水，幫忙拿取東西，以給用戶更方便舒適的體驗(yàn)。

聯(lián)軸器：機(jī)器人的前半身和后半身通過聯(lián)軸器連接，它們可以分離。連接不同的后半身可以實(shí)現(xiàn)多樣的用途。比如可以存放垃圾做移動(dòng)垃圾桶，也可以做移動(dòng)桌椅隨時(shí)提供休息娛樂的場(chǎng)所。

攝像頭：機(jī)器人前后裝有兩個(gè)攝像頭，可以360度旋轉(zhuǎn)，全方位地觀測(cè)周圍環(huán)境，提高工作效率。

云臺(tái)：給機(jī)械臂提供基座，配合機(jī)械臂完成動(dòng)作，提高工作效率。

2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的好處

1）速度快：采用了輕質(zhì)器件、高功率微信性馬達(dá)，提高了速度，從而縮短了循環(huán)周期的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

2）精度高：六軸工業(yè)機(jī)械手采用高質(zhì)量、高性能諧波減速機(jī)，使在運(yùn)行過程中不斷重復(fù)定位，保證精度。質(zhì)量受影響較小，因此保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3）封性好：各軸間完全密封，可以提高機(jī)械臂的使用壽命。

3、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、云服務(wù)器、信息采集等。環(huán)衛(wèi)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由主控單元、振動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)接口組成，GPS和攝像頭采集位置信息和周圍環(huán)境的雷達(dá)信息，地圖位置以及對(duì)圖像信息采集。然后通過上位機(jī)的信息傳輸通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，遠(yuǎn)程同步機(jī)器人群體的實(shí)時(shí)地圖位置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，對(duì)機(jī)器人的工作模式進(jìn)行選擇，因?yàn)闄C(jī)器人在運(yùn)行時(shí)要執(zhí)行大量的圖像處理，所以我們會(huì)在機(jī)器人的服務(wù)程序中引入OpenCV圖像處理的API，以Google地圖接口，為機(jī)器人提供圖像處理和路線規(guī)劃，從而機(jī)器人進(jìn)行會(huì)垃圾的識(shí)別分類，將垃圾清理并將其放置在指定位置，完成后駛向下一個(gè)工作地點(diǎn)，期間會(huì)躲避行人和障礙物。

3.2 GPS模塊

GPS模塊是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個(gè)集成電路。采用SIRF三代芯片組的GPS模塊，它的特點(diǎn)是定位時(shí)間快，高度感強(qiáng)，抗干擾性能好，功耗低，省電，體積小，性價(jià)比高。

3.3 攝像頭模塊

攝像頭模組，簡(jiǎn)寫為CCM。CCM 包含四大件： 鏡頭、傳感器、軟板、圖像處理芯片。決定一個(gè)攝像頭好壞的重要部件是：鏡頭、圖像處理芯片、傳感器。CCM的關(guān)鍵技術(shù)為：光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)、非球面鏡制作技術(shù)、光學(xué)鍍膜技術(shù)。利用兩個(gè)攝像頭 獲取圖片的細(xì)微差異，計(jì)算得到視差圖并將連續(xù)的兩幅 視差圖進(jìn)行差分與乘積，獲得包含深度信息的前景圖像，最后利用直方圖定位確定目標(biāo)物體。

3.4 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC/host computer/master computer/upper computer，屏幕上顯示各種信號(hào)變化。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。

4、結(jié)論

本項(xiàng)目的背景是基于普通的家用機(jī)器人大部分只有清理簡(jiǎn)單衛(wèi)生的功能，對(duì)于其本身的資源是有余的，利用其原基礎(chǔ)上加上垃圾識(shí)別，分類，采取靈活的機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)原來的普通機(jī)器人不可以完成的任務(wù)，譬如對(duì)于墻角的清理，對(duì)此還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于用戶的簡(jiǎn)單要求，像端水，幫助提取一些物品之類的簡(jiǎn)單操作，在一定的程度上加強(qiáng)使用者的體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]智能家庭服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].李欣原，聶子杰.2021（02）

[2]賈寧.基于雙目視覺的家庭機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別與檢測(cè)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（23）

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目號(hào) 202010201032）資助項(xiàng)