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一种三维搬运机器人及其控制系统设计

 

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 摘要:伴随社会进步、收入水平提高以及人工智能与机器人技术的成熟,人们开始追求更高的生活品质,机器人的种类与数量在不断攀升。论文设计了一种适用于家庭的三维搬运机器人,主要从结构组成与系统设计分析其完成任务的各部分的传动与程序原理。

  关键词:三维搬运机器人;可折叠机械臂;结构;控制系统;智能家居;语音控制;

  Abstract:With the social progress, the improvement of income level and the maturity of artificial intelligence and robot technology, people begin to pursue a higher quality of life, and the type and number of robots are on the rise. This paper designs a kind of three-dimensional handling robot which is suitable for the family. It mainly analyzes the transmission and program principle of each part to complete the task from the structure composition and system design.

  1 引言

  近年来,中国人口红利逐渐消失,人口老龄化、劳动力不足以及人力成本上升等原因,人们对家政服务的需求提高,家政市场在扩大的同时,服务价格也在提升,导致对服务机器人需求逐步增加。伴随着收入水平持续提高以及智能AI技术的成熟,人们也有意愿追求更高品质的生活。机器人越来越频繁地出现在银行、机场、大型卖场、工程建设、餐厅等领域。

  本文设计了一种日常生活帮助部分特殊人群完成平时难以完成工作的机器人,可以帮助使用者完成危险工作,避免危险的发生。同时,可以提供更全面的帮助,可适用于更多领域。

  2 机器人结构设计

  2.1 机械臂结构设计

  三维搬运机器人是自主设计的一款简单的专用于家庭搬运机器人,是由齿轮、杠杆、马达、电池、履带、热塑性树脂等零件材料组装设计而成。该搬运机器人伸展最高为180cm,最低可收缩60cm,单机械臂长度为120cm,机械底盘高度为40cm,升降台最高可至20cm。

  机械臂底部平台设置为不可逆的卡扣单向旋转保证机器精确旋转角度;平台上安装了垂直旋转云台连接实时图传发射器,通过信号传输可在其他设备收到机器人实时图传;机械臂设计为多段折叠关节结构机械臂的结构变化实现各高度下的物品抓取。

  机械爪与机械臂连接部分设置大功率舵机使爪部整体为可翻转结构,机械爪下部设有图像传感器用于判断夹取物体的大小及形状,传动使用单电机齿轮带动双齿轮对转,齿轮动杆配合带动连杆完成夹取动作,爪内边缘设置有软胶贴片的限位开关,可保证对被抓取物品大小判断出现偏差时进行及时改变夹取动作,不易在夹取物品时出现损坏。

  2.2 伸降平台结构设计

  外壳设置箱体盖,可用于检查或者更换内置零部件;履带外围设置外壳,则考虑到使用者的安全性以及履带的防尘保护作用。马达则分别带动左右两边履带,令其可灵活转向行驶,而左右两边马达则内焊一根连杆方可固定;将履带设置为机械手行驶运动轮,相较于普通车轮可分担更多的压力,以及行驶更为稳定。

  为保证三维搬运机器人在收缩状态下体积的最小化,且不影响其运行完成更高的任务,机械臂下部设计安装升降台部分;升降台由可再升平台、前推杆、后推杆、连杆、马达组成。前推杆、后推杆分别支撑平台的前后部分,由连杆将前推杆、后推杆固定连接,起到共同支撑的作用。推杆水平部分具有小凹槽,将推杆置于推杆导槽中与马达卡扣固定。

  2.3 外壳结构设计

  三维搬运机器人定位为家用类服务机器人,因此,其外观美化及安全性与实用性要求比其他类型机器人更高。外壳设计来源于自然界的节肢类动物,此类动物与机械手的结构有相似之处。机械手的主要结构采用铝合金外壳包裹,在关节处用防水布将结构包裹起来,起到防水、防灰、防尘等作用,避免在长期使用后出现短路或结构内部受损等情况。机械手的手部是模仿螃蟹的蟹钳设计的,带有光滑的流行线的质感,贴切自然,给人以亲切的感觉。

  3 机器人系统设计

  3.1 视觉定位

  工作前,先需要在工作地点内保证有设置4个及以上的Wi-Fi/蓝牙信号,机器人会接入连上Wi-Fi/蓝牙后,进入设定的服务器网络内读取数据,判断此地是否已存在3D地图可直接使用。如果无地图可使用将进行新地图的首次扫描,利用伸展臂前面的摄像头在机器工作起始点及各转角位置对工作环境进行图像扫描,通过服务器应用合成360度全景并在全景地图内提取特征点,生成匹配的特征点数据库。在缓慢进行的过程中,通过视觉传感器对各货架上物品进行扫描,统计物品形状、大小及数量,在服务器端将所有物品的坐标定点,从而定位地图上不同物品、位置及高度的位置,以便工作时更好地选择定点。在扫描完成后,经过云端计算机计算形成3D地图。

  3.2 信号定位

  在多个转角位置输入无线信号特征,该信号可以定位机器位置与几个Wi-Fi/蓝牙信号的直线距离,发送给服务器,服务器通过接收来自不同AP的信号特征差异,并结合适当的定位算法计算出目标的位置信息并添加至地图内;输入Wi-Fi/蓝牙信号源与各全景图点位机器的直线距离,机器工作起点为开始围绕整个工作场地运动,进行多次循环移动并计算空间范围大小后,上传数据至内置服务器,构建并不断修正3D可视化路标特征地图。

  4 ESP8266语音控制设计

  4.1 系统硬件电路设计

  控制系统采用ESP8266 12-E Node MCU Kit,控制系统电路设计如图1所示,高低电频控制表如图2所示。

 一种三维搬运机器人及其控制系统设计

  图1 ESP8266引脚对应表   

 1.png

  图2 高低电频控制表  

  4.2 PLC控制系统软件开发

  搬运机械手语音控制系统实现部分代码及系统流程图分别如图3、图4所示。

 1.png

  图3 部分代码展示   

 1.png

  图4 控制流程   

  5 结语

  设计以ESP8266 12-E Node MCU Kit为控制核心的搬运机械手实现搬运机器人的家庭搬运工作,该机械手是一种设计新颖、实用的新型机械手,给出了具体的机械手本体结构,该机械手能实现抓取物品、伸缩、升降运动及旋转运动。设计的机械结构及控制系统运行平稳可靠,可促进服务类产业的发展。
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  参考文献

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