三維搬運機器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計研究

前言：本站為你精心整理了三維搬運機器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計研究范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

【摘要】伴隨社會進步、收入水平提高以及人工智能與機器人技術(shù)的成熟，人們開始追求更高的生活品質(zhì)，機器人的種類與數(shù)量在不斷攀升。論文設(shè)計了一種適用于家庭的三維搬運機器人，主要從結(jié)構(gòu)組成與系統(tǒng)設(shè)計分析其完成任務(wù)的各部分的傳動與程序原理。

【關(guān)鍵詞】三維搬運機器人；可折疊機械臂；結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)；智能家居；語音控制

1引言

近年來，中國人口紅利逐漸消失，人口老齡化、勞動力不足以及人力成本上升等原因，人們對家政服務(wù)的需求提高，家政市場在擴大的同時，服務(wù)價格也在提升，導(dǎo)致對服務(wù)機器人需求逐步增加。伴隨著收入水平持續(xù)提高以及智能AI技術(shù)的成熟，人們也有意愿追求更高品質(zhì)的生活。機器人越來越頻繁地出現(xiàn)在銀行、機場、大型賣場、工程建設(shè)、餐廳等領(lǐng)域。本文設(shè)計了一種日常生活幫助部分特殊人群完成平時難以完成工作的機器人，可以幫助使用者完成危險工作，避免危險的發(fā)生。同時，可以提供更全面的幫助，可適用于更多領(lǐng)域。

2機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維搬運機器人是自主設(shè)計的一款簡單的專用于家庭搬運機器人，是由齒輪、杠桿、馬達(dá)、電池、履帶、熱塑性樹脂等零件材料組裝設(shè)計而成。該搬運機器人伸展最高為180cm，最低可收縮60cm，單機械臂長度為120cm，機械底盤高度為40cm，升降臺最高可至20cm。機械臂底部平臺設(shè)置為不可逆的卡扣單向旋轉(zhuǎn)保證機器精確旋轉(zhuǎn)角度；平臺上安裝了垂直旋轉(zhuǎn)云臺連接實時圖傳發(fā)射器，通過信號傳輸可在其他設(shè)備收到機器人實時圖傳；機械臂設(shè)計為多段折疊關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)機械臂的結(jié)構(gòu)變化實現(xiàn)各高度下的物品抓取。機械爪與機械臂連接部分設(shè)置大功率舵機使爪部整體為可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，機械爪下部設(shè)有圖像傳感器用于判斷夾取物體的大小及形狀，傳動使用單電機齒輪帶動雙齒輪對轉(zhuǎn)，齒輪動桿配合帶動連桿完成夾取動作，爪內(nèi)邊緣設(shè)置有軟膠貼片的限位開關(guān)，可保證對被抓取物品大小判斷出現(xiàn)偏差時進行及時改變夾取動作，不易在夾取物品時出現(xiàn)損壞。

2.2伸降平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

外殼設(shè)置箱體蓋，可用于檢查或者更換內(nèi)置零部件；履帶外圍設(shè)置外殼，則考慮到使用者的安全性以及履帶的防塵保護作用。馬達(dá)則分別帶動左右兩邊履帶，令其可靈活轉(zhuǎn)向行駛，而左右兩邊馬達(dá)則內(nèi)焊一根連桿方可固定；將履帶設(shè)置為機械手行駛運動輪，相較于普通車輪可分擔(dān)更多的壓力，以及行駛更為穩(wěn)定。為保證三維搬運機器人在收縮狀態(tài)下體積的最小化，且不影響其運行完成更高的任務(wù)，機械臂下部設(shè)計安裝升降臺部分；升降臺由可再升平臺、前推桿、后推桿、連桿、馬達(dá)組成。前推桿、后推桿分別支撐平臺的前后部分，由連桿將前推桿、后推桿固定連接，起到共同支撐的作用。推桿水平部分具有小凹槽，將推桿置于推桿導(dǎo)槽中與馬達(dá)卡扣固定。

2.3外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維搬運機器人定位為家用類服務(wù)機器人，因此，其外觀美化及安全性與實用性要求比其他類型機器人更高。外殼設(shè)計來源于自然界的節(jié)肢類動物，此類動物與機械手的結(jié)構(gòu)有相似之處。機械手的主要結(jié)構(gòu)采用鋁合金外殼包裹，在關(guān)節(jié)處用防水布將結(jié)構(gòu)包裹起來，起到防水、防灰、防塵等作用，避免在長期使用后出現(xiàn)短路或結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損等情況。機械手的手部是模仿螃蟹的蟹鉗設(shè)計的，帶有光滑的流行線的質(zhì)感，貼切自然，給人以親切的感覺。

3機器人系統(tǒng)設(shè)計

3.1視覺定位

工作前，先需要在工作地點內(nèi)保證有設(shè)置4個及以上的Wi-Fi/藍(lán)牙信號，機器人會接入連上Wi-Fi/藍(lán)牙后，進入設(shè)定的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，判斷此地是否已存在3D地圖可直接使用。如果無地圖可使用將進行新地圖的首次掃描，利用伸展臂前面的攝像頭在機器工作起始點及各轉(zhuǎn)角位置對工作環(huán)境進行圖像掃描，通過服務(wù)器應(yīng)用合成360度全景并在全景地圖內(nèi)提取特征點，生成匹配的特征點數(shù)據(jù)庫。在緩慢進行的過程中，通過視覺傳感器對各貨架上物品進行掃描，統(tǒng)計物品形狀、大小及數(shù)量，在服務(wù)器端將所有物品的坐標(biāo)定點，從而定位地圖上不同物品、位置及高度的位置，以便工作時更好地選擇定點。在掃描完成后，經(jīng)過云端計算機計算形成3D地圖。

3.2信號定位

在多個轉(zhuǎn)角位置輸入無線信號特征，該信號可以定位機器位置與幾個Wi-Fi/藍(lán)牙信號的直線距離，發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過接收來自不同AP的信號特征差異，并結(jié)合適當(dāng)?shù)亩ㄎ凰惴ㄓ嬎愠瞿繕?biāo)的位置信息并添加至地圖內(nèi)；輸入Wi-Fi/藍(lán)牙信號源與各全景圖點位機器的直線距離，機器工作起點為開始圍繞整個工作場地運動，進行多次循環(huán)移動并計算空間范圍大小后，上傳數(shù)據(jù)至內(nèi)置服務(wù)器，構(gòu)建并不斷修正3D可視化路標(biāo)特征地圖。

4結(jié)語

設(shè)計以ESP826612-ENodeMCUKit為控制核心的搬運機械手實現(xiàn)搬運機器人的家庭搬運工作，該機械手是一種設(shè)計新穎、實用的新型機械手，給出了具體的機械手本體結(jié)構(gòu)，該機械手能實現(xiàn)抓取物品、伸縮、升降運動及旋轉(zhuǎn)運動。設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，可促進服務(wù)類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

【參考文獻】

【1】袁鏡江,何滿棠.變電站搬運機器人的機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].科技與創(chuàng)新,2019(18):19-20.

【2】周源,劉禹鑫,林富明.室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信息,2017(6):54-57.

【3】陶輝,吳懷宇,程磊,等.基于特征地圖的移動機器人EKF-SLAM和FastSLAM算法自主導(dǎo)航研究[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(6):18-24.

【4】曾濤.基于WiFi和傳感器的室內(nèi)定位技術(shù)的研究[D].長沙:湖南大學(xué),2015.

【5】武高雨.家用機器人室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2016.

【6】孫夢圓,張寶國.移動服務(wù)機器人機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電子世界,2018(11):116-118.

作者： 諶小平  單位：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院