《机器人概论》课程

我的智能服务机器人

       学生：     夏英彬     

       专业：    车辆工程    

       班级：  车辆工程131  

       学号： 2013020743129  

关键词：智能；服务机器人；自由度；电驱

    我国机器人研究开始于20世纪70年代，与发达国家相比起步稍晚，但随着近年我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场将进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。过去3年来，我国机器人市场发展迅猛，年均增长超过40%，增长率居全球首位。在国内，工业机器人比较受青睐的就是机械手。机械手为各类新型电子部品的组装、器具制造加工技术。机器人细分到如：自动焊锡机器人、移动印刷机器人、自动打螺丝机器人、自动切割机器人、自动涂油机器人、自动点胶机器人等。

随着工业机器人技术不断发展壮大及人们生活水平的不断提高，文化生活日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人们的生活，其市场将繁荣兴旺，为此我将设计一款智能服务机器人。

1、设计目的及发展潜力

（一）设计目的

进入21世纪，中国经济和科学技术快速稳定发展，你人们生活生平不断提高，文化生活日益丰富多彩，对物质和精神文明有了更高的追求，因此催生出对智能服务机器人的刚性需求。智能服务机器人不仅可以应用在相关职能部门，能加快办事效率，简化办事流程，便捷生活；智能服务机器人还可以应用在社会服务机构，例如养老院等，起优化服务结构，改善生活品质等作用。智能服务机器人应用在社会生活的方方面面，可满足人们物质及精神需要，做人类身边的小助手、知心人，使人们生活水平更上一台阶。

（二）发展潜力

    我国政府对服务机器人的发展给予的很多的帮助和扶持，20##年4月1日中华人民共和国科学技术部印发服务机器人科技发展“十二五”专项规划的通知，以《国家中长期科技发展规划纲要(20##-2020)》为指导，贯彻《国民经济和社会发展第十二个五年规划》精神，落实《国家“十二五”科学和技术发展规划》提出的重点任务,结合国家高技术研究发展计划（863计划），围绕国家安全、民生科技和科技引领发展的重大需求，应对公共安全事件，适应老龄化社会，满足国家安全与民生科技的日益增长需求等，提供强有力的技术支撑，把服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业。以前瞻产业研究院

发布的20##—20##年国内部分服务机器人行业上市公司营业收入规模数据表为例，近年来服务机器人行业发展优势大，潜力足。

2、智能服务机器人的功能及其动作

智能服务机器人主要功能是检测和感知用户的动作、语言，与机器人计算机系统储存的信息，数据进行对比，以作出控制、决策、管理、操作等命令，完成用户所需要求。智能服务机器人动作有：利用视觉传感器检测用户动作，利用听觉传感器搜集用户语言及周围环境的语言，利用语言系统与用户进行语言交流，利用视觉传感器，位置传感器和接近觉位置传感器检测周围环境状况并精确完成任务，当然还有是一系列的机械动作，例如：行走的加速或匀速运动；手的抓，拿，夹，拎，捏动作；手臂的直线，回转，仰俯等复合运动等等。

3、智能机器人应用场合

智能机器人可以应用在家庭，完成家庭生活琐碎的家务，可以看家防止盗窃；可以应用在相关职能部门办公大厅，起引导，分流，便捷的作用；可以应用在各大展厅及公司宣传部门，用于讲解，宣传；还可以应用在服务机构，例如养老院，托儿所等，用于优化服务结构，聊天谈心及满足用户的相关需求。

4、智能机器人的主体结构

（一）末端执行器

    这款智能机器人采用仿生灵活手，结构如图（1）所示，它由底座、支板、近指节、中指节、远指节、滑轮、电位计、绊钉和各类传感器组成。受驱动源、驱动电路板体积的限制，使驱动器与转动关节的空间距离较远且路径不规则，我们采用腱传动（绳索传动）。仿生灵活手共有五个手指，15个自由度，其中四个手指组成完全相同，每根手指共有三个关节，均使用仰俯转动副；而大拇指也有三个关节，其中远指节使用的是轴线转动运动副，中指节和近指节使用的是仰俯转动副，因此它能模仿几乎人手指完成各种复杂动作。图（2）、图（3）是拇指和其余四指的结构简图；表(1)、表（2）是四指和拇指各关节转动的角度范围。

     仿生灵活手                四指运动简图            拇指运动简图

       图（1）                    图（2）                  图（3）

表（1）四指各关节仰俯转动范围

表（2）拇指各关节转动范围

（二）手腕

     这款智能服务机器人我们采用的是三自由度BBR手腕，使手部具有沿X、Y、Z轴仰俯、偏转、翻转运动，即RPY运动。图（4）为三自由度BBR手腕的运动简图。

图（4）BBR手腕

（三）手臂

    对于手臂的设计我们使用的是多自由度的复合运动手臂，该手臂运动结构简图如图（5）所示。

               

 

图（5）多自由度手臂

    图中可以看出，肩部设置2个自由度，一个绕X轴旋转，手臂可以向外侧抬起，一个绕Y轴旋动，使手臂可以前后摆动。肘部设置2个自由度，一个绕Y轴旋转的自由度，使下臂能相对上臂屈伸，一个绕Z轴旋转，是上下臂可以转动。胸部有一个自由度，可以相对下臂左右摆动。

（四）基座

    这款智能服务机器人由于应用场合广，解决人们生活各种琐碎，要满足人们的各种要求，故要求具有加快的运动速度，因此我们采用轮式移动机构。该机构具有三个车轮，其中两只后轮为驱动轮，前轮为方向轮，该设计不仅具有良好的移动速度，同时机器人重心稳重，不易倒地。图（6）为该轮式移动机构的数学模型运动简图；图（7）为车轮运动受力图。

 

      图（6）机器人的数学模型          图（7）为车轮运动受力情况

5、智能机器人的控制技术

（一）工作原理

     智能服务机器人控制系统主要要素有：计算机硬件系统及操作控制软件、输入/输出设备及装置、驱动器系统、传感器系统。控制系统的主要作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。图（8）是智能服务机器人控制原理框图。

与上位机连接的I/O设备有CRT显示器和键盘、示教盒、软盘驱动器，通过串口板还可接入视觉传感器、高层监控计算机、实时路径修正控制计算机。

接口板A、B是上下位机通信的桥梁。上位机经过A、B接口板向下位机发送命令和读取下位机信息。A板插在上位机的Q-Bus总线上，B板插在下位机的J-Bus总线上，A、B接口板之间通过扁平信号电缆通信。B板上有一个A/D转换器，用于读取B接口传递的各关节电位器信息，电位器用于各关节绝对位置的定位。

图（8）智能服务机器人控制器原理框图

（二）关节位置伺服控制

从运动控制的角度看，上机位作运动规划，并将手部的运动转化成各关节的运动，按控制周期传给下位机；下位机进行运动的插补运算及对关节进行伺服控制，所以常用多轴运动控制器作为机器人的关节控制器。多轴运动控制器的各轴伺服控制也是独立，每个轴对应一个关节。这款智能服务机器人我们采用的是直流电动机驱动，以末端执行器为例，图（9）为直流电动机在手上的布置方式。

图（9）直流电动机在手上的布置方式。

（三）各类传感器

机器人既要对环境状态作出快速反应和分析判断，又要长时间持续工作，精确度要求高。对于第一代、第二代机器人来说是无法实现的，但传感技术的发展和进步，是机器人智能化的关键和特色，新型传感器的应用、多传感器的信息融合等成为新一代机器人实现更高级智能行为的基础。针对这款智能服务机器人我们选用了以下多种传感器。

1)        电位器式位置传感器

    电位器式位置传感器由1个线绕电阻和1滑动触电组成。其中，滑动触电通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移。改变了滑动触电与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节位置和位移量。图（10）是直线型电位器简图；图（11）是为位置传感器工作简图。

  

     图（10）直线电位器简图           图（11）位置传感器工作简图

2)        应变片加速度传感器

    Ni-Cu或Ni-Cr等金属电阻应变片加速度传感器是由一个板簧支撑重锤所构成的振动系统。板簧上、下两面分别贴两个应变片，应变片守振动产生应变，其电阻值得变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。图（12）是应变片加速度传感器的结构图和电位图。

a）结构图                         b)电位图

图（12）应变片加速度传感器

3)        超声波式接近觉传感器

超声波接近觉传感器的基本元件是电声变换器。由于同一变换器通常既用于发射又用于接收，因此被测物体距离很小时，需要使声能很快衰减。使用消声器和消除变换器与壳体的耦合，可以达到这一目的；壳体设计应形成一狭窄的声束，实现有效的能量传送和信号的定位。图（13）是超声波式接近觉传感器的结构示意图。

图（13）超声波式接近觉传感器的结构示意图。

4)        导电橡胶压觉传感器

在硅中渗入铝粉或碳粉等导电粉末，硬化后制成硅橡胶。当物体与橡胶表面接触时，由于压力引起电位的变化，电信号转化成数字信号，再通过计算机系统的分析、决策，使执行器作出相应的动作。图（14）是感压导电橡胶压觉传感器。

图（14）感压导电橡胶压觉传感器

5)        六轴力觉传感器

该传感器能同时获取3个力和3个力矩在内的全部信息，因而被广泛应用于力/位置控制、轴孔配合、轮廓跟踪及双机器人协调等先进机器人控制之中，故选取这种力觉传感器。图（15）是六轴力觉传感器结构简图。

图（15）六轴力觉传感器结构简图

6)        电容式传声器听觉传感器

由固定电极和振膜构成一个电容，Up经过电阻R 将一个极化电压加在电容的固定电极上。当声音传入时，振膜可随时间发生振动，此时振膜与固定电极间电容量也随声音二发生变化，此电容的阻抗也随之变化；与其串联R 的负载电阻的阻值是固定的，电容的阻抗变化就表现为a点电位的变化。经过耦合电容C将a点电阻变化的信号输入到前置放大器A，经放大后输出音频信号。

图（16）电容式传声器的结构原理图

7)        视频摄像头视觉传感器

     视频摄像头是一种广泛使用的景物和图像输入设备，它能将景物、图片等光学信号转化为电视信号或图像数据。由于单个视频摄像头只能形成二维图像，故我们采取两个视频摄像头，对物体形成立体的图像，再把光学信号转化成电视信号，是机器人看到的景象是立体的。

（四）某一动作的流程图

智能服务机器人要完成一个动作是一个复杂的过程，它必须经过机器人感知、决策、执行三个阶段。有时要完成一个动作不仅仅是机器人单独完成的，它还需进行机器人与环境，机器人与人的互动，通过先进的传感技术对环境进行感知，收集和储存各种信息后，再经过计算机系统进行数据的分析、比较、修正，最后再以电信号传给执行器，由执行器完成动作。以智能服务机器人端茶为例，图（17）是智能服务机器人完成动作的流程图。

6、智能机器人的总体特征

（一）智能服务机器人的外貌特征

     这款智能服务机器人上半身拥有与人类较大的相似地方，它的手采用的是仿生灵活手，能完成类似于人类的各种动作；而手臂和手腕采用的是与一般智能机器人的机械结构；它的头部最大特点就是用于两个检测物体的红外线摄像头作为这款智能服务机器人的眼睛，头的两侧没有像人类一样的耳朵，取而代之是用于收集各种声波的听觉传感器机构。机器人的下半身用于装载各种的电机而他的移动机构则采用的是三轮移动机构，两后轮为驱动轮，前轮为转向轮。这款智能服务机器人总体来看像是一个上小下大、外形笨重的机器人，但它却具有行动速度开、精确度高、分析能力强的特点。

（二）智能服务机器人的价格

      由于机械技术和传感技术的发展进步，各类机械零件和传感器的使用越来越普遍，而却这款机器人应用的场合广，服务的人群多，故相对价格不会很高，适合中等收入家庭，它的报价一般为5000元人民币。

（三）智能机器人的优缺点

 优点：

1）这款机器人应用场合广，服务人群多，易于推广使用。

2）它的机械结构设计好，有较多的自由度，能完成各种动作。

3）它具有良好的感知、决策、分析及学习的能力，精度高，效率好。

4）移动速度快，执行能极强。

缺点：

1）：体型笨重，外形设计不够完美。

2）由于使用时轮式移动机构，故不能完成上下楼的动作。

参考文献

［1］李云江．机器人概论．机械工业出版社,，2014.

［2］孙增析．智能控制理论与技术．清华大学出版社1，997

［3］王炎．机械人控制技术．机械工业出版，1997

［4］孙志欣．智能轮式移动机器人的控制系统设计：（学位论文）；辽宁：辽宁师范大学，2010

［5］陈志喜．机器人手臂及控制系统的设计与研究：（硕士学位论文）；北京：北京邮电大学，2005

第二篇：机器人设计论文

绿化植树机器人设计

摘要：

这个机器人是针对大量绿色植树而设计的，利用机械四足作为其活动方式，机器人通过视频识别系统在有限范围内对地形与植被作出判断，然后通过自动行走系统移动到目标地点前面，再通过机械手取出携带的植物幼苗，通过这个可以360度旋转的机械臂进行种植工作，机械臂可以进行种植、培土、等工作。种植完成后还将用一层可分解的塑料薄膜覆盖植物幼苗，保证其在能够自行成长前的安全。

关键词：

绿化植树、四足行走、山坡作业、视频识别、机械臂操作

设计背景：

地球现在正面临着绿色植被在不断减少的危机，而人类也因为这样要面对日益严峻的环境问题。大量植树还原绿色植被是一个相当重要的手段来解决这个难题，但是依靠人力去做的话，效率始终不够高。所以在这里我想设计一个专门用于大作业量的绿化植树机器人。

设计思路：

这个机器人，是需要面对山坡这样的陡峭地形的，由于特殊的使用环境，机器人的活动方式要求能够灵活的应对颠簸不平的土地，机械四足需要能够根据不同的地势调整四足的高度，确保平稳的行走，这种活动方式才能使机器人轻松到达山崖大部分位置。移动起来必须十分的轻巧，以避免对其他植物的伤害。由于这个机器人对视频识别有着较高的要求，所以必须在这方面有所突破，同时当发现有杂草或者有害植物的时候，还可以通过高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。360度旋转的机械臂可以保证种植过程的顺利进行。

详细具体设计方案：

一． 整体结构：

1. 整个机器人分成上下两大部分，上部分是机械手臂，主要实现机器人的整个种植

操作，下部是机器人的机身和四足，包括：植物幼苗存放仓、红外线距离测量

仪、摄像头、电脑处理系统。

2. 机器人是通过电力驱动的，所以必须携带储电池，也是安装在机身。

二． 中央处理系统：

机器人的机身将安装一个中央处理系统，作为机器人的大脑，它主要调节机器人三大系统：机械四足行走系统、机器人视觉系统、机械臂控制系统。中央处理系统要接收和分析红外线距离测量仪、摄像头、机械臂传感器等反馈信息，以及控制四足的行进系统、机械臂操作等。

三． 机械四足行走系统：

1. 机械四足的形状：

一开始的时候，我曾经很困惑于如何把握行走稳定与行走速度之间的平衡，后来设想出仿人类四肢的关节加上圆形的脚盘这个方案，总体感觉可以满足行走的需要。

2. 如何实现行进：

参考了机械小狗的设计，将机械四足连接在机器人的中央处理系统而成为一个整体，接受中央处理系统的控制。每次改变一个机械足的位置，实现整个机器人的行

走。

3. 如何保持位置稳定：

在机器人机身安装有3个红外线距离探测器，当机器人识别到了目标之后，三个探测器同时从3个方向测量其与目标的实时距离，这样就可以确定机器人和目标的相对三维位置。确定了相对位置之后，将数据传送给中央处理系统。再次调节四足关节处的角度以及脚盘关节处的角度，让机器人可以平稳的站立。

四． 机器人视觉系统：

1. 识别原理：

当机器从人移动到距离目标五米范围内，就开始识别目标的过程了。负责识别目标地点的摄像头就安装在机身上。

识别的工作原理是根据环境颜色和形状的不同作判断，再通过视频摄像和经过中央处理系统程序计算识别出来的。

2. 摄像头要求：

由于工作需要，摄像头的视角范围必须足够大。因此摄像头的形状设计为圆球形，好像眼球一样可以转动。

五． 机械臂夹持系统：

当目标已经识别出来之后就应该开始收集工作了。这个机器人的收集垃圾的工作是通过外夹式机械臂来完成的。

1. 手指类型：结合课堂知识，机械臂的手指类型选择是由被握持物件的形状、尺寸、

重量、材质及表面状态的不同而决定的。由于这个机器人针对的目标是装有植物幼苗的器皿，因此机械手指的设计采用针对圆柱形物件的特殊中空手指，你也可以说没有手指，可以直接将圆柱状的幼苗器皿卡住，种入泥土中。另外内面将采用柔性材料镶衬橡胶来增加摩擦力。

2. 驱动装置：采用直流伺服电机驱动机械臂的各个关节。

3. 除草系统：通过识别系统识别出杂草或者有害植物的时候，还可以通过手臂中的

高温蒸汽将其杀死，来保证种植的植物幼苗的生长。

六． 植物幼苗存放仓：

植物幼苗存放仓将安装在机器人机身上部，以轻型塑料制作，为仓盒状，可以有透明的材料遮挡恶劣的天气环境。仓的下部安装有平衡测试仪器，防止装幼苗的时候由于重心变化而导致机身倾斜。

七． 可能遇到的实际问题：

这只是一个机器人的理论设计而已，我也想到了一些实际上可能遇到的问题，比如：具体的行走效率有多高？遇到坡度太大的地形，如何保证安全的攀登上去？机器人是采用电力驱动的，但电池的体积和质量都不能太大，如何可以保证电力的持久供给？

简易设计图：