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1、家用服務(wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā) 【摘要】介紹多功能家居服務(wù)機(jī)器人的組成、主要性能參數(shù)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？赏ㄟ^程序或手柄遙控兩種方法來控制機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)物品的夾取和整理，并運(yùn)送到指定位置，以更好的方便人們生活。 【關(guān)鍵詞】服務(wù)型機(jī)器人；六自由度；程序控制 機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步與應(yīng)用是二十世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義的自動(dòng)化，尤其在當(dāng)今的工業(yè)制造中，機(jī)器人學(xué)已取得了偉大的成就。進(jìn)入二十一世紀(jì)，人們?cè)絹碓礁惺艿綑C(jī)器人已經(jīng)深入到人們生產(chǎn)、生活和社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前社會(huì)家庭服務(wù)也迫切需要，一方面社會(huì)老齡化越

2、來越嚴(yán)重，使很多老人需要被照顧，使社會(huì)保障和服務(wù)的需求也變的更大，老齡化的家庭結(jié)構(gòu)會(huì)使很多的的年輕家庭壓力增大，而且工作的壓力和生活節(jié)奏的加快，也使得年輕人沒有更多的時(shí)間陪伴自己的孩子，隨之使家庭服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)變的更大。另一方面，服務(wù)型機(jī)器人將會(huì)廣泛地代替人力從事各種工作，使人類從繁重的、重復(fù)單調(diào)的、有害健康和危險(xiǎn)的生產(chǎn)作業(yè)中解放出來。 1.家用服務(wù)機(jī)器人的主要功能 該家用服務(wù)機(jī)器人機(jī)械手爪有夾緊和松開物件的功能，由五個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，由一個(gè)電機(jī)控制手爪的夾緊和松開以及兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四輪小車后輪。這樣既可實(shí)現(xiàn)整體的旋轉(zhuǎn)、水平、垂直運(yùn)動(dòng)及手爪的傾斜、旋轉(zhuǎn)、夾緊、松

3、開運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地面上的空間全方位運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人可通過手柄遙控控制，也可通過程序自動(dòng)控制。從手柄遙控或程序發(fā)出控制信號(hào)到各個(gè)相應(yīng)的接收器，再從接收器傳給各個(gè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)小車以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向或行程，從而機(jī)械手可以夾取或放置物件。多功能家居整理機(jī)器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的操作、軌跡和要求進(jìn)行工作。具體功能模塊如圖1。 2.家用服務(wù)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 總體結(jié)構(gòu)主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)是多功能家用機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)等.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其

4、動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。控制系統(tǒng)是通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)的作用是通過各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。另外本機(jī)還有配重系統(tǒng)，由于自重、承重較大，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動(dòng)機(jī)組件、齒形帶輪等大質(zhì)量零部件布置在與腕部相對(duì)的另一端。底部小車的主體結(jié)構(gòu)包括底盤、車身、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，對(duì)于小車而言，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很重要的，只有嚴(yán)格按照阿克曼原理設(shè)計(jì)出合理的零件長(zhǎng)度才能使小車平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，而不至于出

5、現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由于平面等腰梯形連桿機(jī)構(gòu)最常見且加工方便，所以設(shè)計(jì)采用平面等腰梯形連桿機(jī)構(gòu)小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，家用機(jī)械人的底座通過螺栓連接小車架，小車架內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，小車架的外側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)向裝置，小車架的下端設(shè)有車輪，車輪連接轉(zhuǎn)向裝置；底座中心上端通過螺栓連接大臂，底座的上端設(shè)有大臂電機(jī)，大臂電機(jī)通過皮帶輪連接設(shè)在底座上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂內(nèi)底端的齒圈，大臂的側(cè)上端設(shè)有斜向支撐架，大臂上端分別連接中臂、氣缸底端，氣缸的上端連接中臂，支撐架上設(shè)有中臂電機(jī)，中臂電機(jī)連接調(diào)整絲杠，調(diào)整絲杠連接中臂中間的絲母，大臂的上端中間鉸接小臂調(diào)節(jié)桿，小臂調(diào)解桿的上端連接支撐軸的

6、后端，中臂的上端橫向鉸接支撐軸，支撐軸的尾端分別安有手部電機(jī)、腕部電機(jī)，支撐軸內(nèi)設(shè)有小臂并伸出支撐軸外側(cè)，小臂的前端安有旋轉(zhuǎn)腕，旋轉(zhuǎn)腕的前端設(shè)有機(jī)械手，機(jī)械手的根部旋轉(zhuǎn)腕內(nèi)安有扇形齒輪與一軸上的直齒輪嚙合，手部電機(jī)通過皮帶輪連接一軸，腕部電機(jī)通過皮帶輪連接二軸，二軸的端頭設(shè)有傘齒輪與旋轉(zhuǎn)腕上的傘齒輪嚙合。它可以幫助人們搬運(yùn)物品還可以進(jìn)行打掃衛(wèi)生的簡(jiǎn)單操作，還可以幫助主人投遞垃圾、拿所需物品，還可以拿一些比較有危險(xiǎn)性的物品例如炙熱的烤盤等等。 3.機(jī)器人典型工作過程 家用機(jī)械人的底座14通過螺栓連接小車架15，小車架15內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，小車架15的外側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)向裝置17，小

7、車架15的下端設(shè)有車輪16，車輪16連接轉(zhuǎn)向裝置17；底座14中心上端通過螺栓連接大臂12，底座14的上端設(shè)有大臂電機(jī)13，大臂電機(jī)13通過皮帶輪連接設(shè)在底座14上的小齒輪，小齒輪嚙合大臂12內(nèi)底端的齒圈，大臂12的側(cè)上端設(shè)有斜向支撐架11，大臂12上端分別連接中臂7、氣缸9底端，氣缸9的上端連接中臂7，支撐架11上設(shè)有中臂電機(jī)6，中臂電機(jī)6連接調(diào)整絲杠8，調(diào)整絲杠8連接中臂7中間的絲母，大臂12的上端中間鉸接小臂調(diào)節(jié)桿10，小臂調(diào)解桿10的上端連接支撐軸18的后端，中臂7的上端橫向鉸接支撐軸18，支撐軸18的尾端分別安有手部電機(jī)4、腕部電機(jī)5，支撐軸內(nèi)設(shè)有小臂3并伸出支撐軸外側(cè)，小臂3的前端

8、安有旋轉(zhuǎn)腕2，旋轉(zhuǎn)腕2的前端設(shè)有機(jī)械手1，機(jī)械手1的根部旋轉(zhuǎn)腕2內(nèi)安有扇形齒輪與一軸上的直齒輪嚙合，手部電機(jī)4通過皮帶輪連接一軸，腕部電機(jī)5通過皮帶輪連接二軸，二軸的端頭設(shè)有傘齒輪與旋轉(zhuǎn)腕2上的傘齒輪嚙合。 底座14內(nèi)可放置蓄電池或外接交流電源并設(shè)置無線接收裝置，無線遙控裝置將指令發(fā)送給接收裝置，接收裝置可按指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)將小車15前移或后退，其方向由轉(zhuǎn)向裝置17改變小車15的轉(zhuǎn)向，到達(dá)指定地點(diǎn)后，通過調(diào)節(jié)小臂調(diào)節(jié)桿10和調(diào)整絲杠8來調(diào)整小臂3的仰俯角度，腕部電機(jī)5將旋轉(zhuǎn)腕2調(diào)節(jié)到位，手部電機(jī)4通過一軸上的主齒輪23將扇形齒輪向外推開，機(jī)械手1張開靠近目標(biāo)物，然后主齒輪將扇形齒輪向內(nèi)

9、拉緊夾緊目標(biāo)物，移動(dòng)小車15將目標(biāo)物移動(dòng)到指定地點(diǎn)，松開機(jī)械手1將目標(biāo)物放下。 4.結(jié)論 隨著社會(huì)不斷向前發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，人們的生活水平不斷提高，生活節(jié)奏也不斷加快。在人們的觀念中，對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高。人們?cè)诿β档墓ぷ飨拢嘧非笊瞽h(huán)境舒適和關(guān)注生活的輕松氛圍。所設(shè)計(jì)的家用服務(wù)機(jī)器人能真正滿足人們?cè)谏钌纤枰芎芎玫亟o予提供服務(wù)，保證了家庭服務(wù)質(zhì)量，為家庭生活帶來了很大的方便。 參考文獻(xiàn) [1]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：24-26. [2]王勁松，馬履中.新型五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)

10、分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（02）：32-33. [3]豐日美.裝卸機(jī)機(jī)械手的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù)，2011（05）：25-28. [4]白雪.機(jī)械與電氣控制技術(shù)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008：32-59. [5]劉廣瑞.機(jī)器人創(chuàng)新制作[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007：36-37. 本文受“黑龍江省教育科研‘十二五’重點(diǎn)課題GBB1211062；黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目；黑龍江省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式改革項(xiàng)目”的資助。 作者簡(jiǎn)介：蔡有杰（1966—），男，吉林通榆人，現(xiàn)供職于齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，主要從事機(jī)電方面的教學(xué)與研究工作。 第 5 頁 共 5 頁