双足人型地面清扫机器人设计

王帆　李云芳

【摘 要】本文设计的地面清扫机器人采用十七自由度人型机身，灵活性大大提高。对机器人的硬件结构、传感方式、芯片及电路的搭建及运动方式的控制方面内进行了设计。并配套扫地吸尘拖地三合一模块，实现对地板进行全方位的清洁，替代人工清洁。

【关键词】双足人形；地面清扫；机器人；结构硬件；传感器

1 研制背景及意义

智能机器人集多学科理论和技术于一体，体现了当代最高意义的自动化。智能家庭服务机器人可以代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制等各种家务劳动。本文主要设计双足人形地面清扫机器人，这种服务机器人在设计上主要遵循人性化、情感化、智能化的原则，在很大程度上“主动服务”于人，能够自主或者半自主地提供服务，代替人完成枯燥、单调、危险的工作，满足现代用户的需求，提高生活质量。

地面清扫机器人将移动机器人技术和吸尘技术有机融合起来，实现地面的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作。地面清洁机器人将大大降低劳动轻度，提高劳动率，使科技更好的为人类服务，具有广阔的应用前景。

2 主要功能和性能指标

该机器人系统主要包括运动控制单元、导航与定位单元、传感器单元、防盗装置和人机交互单元。头部安装的超声波距离传感器，可以探测周围障碍，并在一定范围内寻找合适路径，智能性突出。仿人型结构及各关节的控制采用嵌入式ARM单片机，使运动更加灵活紧凑。本设计在清洁卫生这一方面是一大亮点，机器人具有与其配套的扫地吸尘拖地三合一模块，能对地板进行全方位的清洁。机器人安装了与人类手掌相似的机械手，所以它可以抓取小型物体，是地面清洁效果更好；且设定好程序就可以使其进行长时间枯燥单调的重复性劳作，解放人类的劳动。因为机器人内置LD3320语音识别模块，能够进行人机互动，远距离操控，达到人性化的操控效果；内还可置歌曲诗词，表演优美舞蹈，成为孩子们的朋友；该机器人还具有家庭防盗功能，在主人不在家的时候机器人可根据红外传感器探测到家里是否有外人的进入，安装有GSM模块，若有外人进入能够立即通知主人。

主要性能指标：

1）语音识别距离：3m±0.5；

2）行走速度：50mm/秒；

3）动作精度：±5mm。

3 设计方案

3.1 机器人硬件结构的设计

本文设计的地面清洁智能机器人采用仿人结构，具有像人一样的四肢，灵活自如[1]。关节采用数字金属齿舵机，扭矩大，角度准确。支架采用硬铝制作，既轻便，又满足强度要求。机器人主体尺寸为400mm高，具有双腿、双脚、双胳膊和灵活转动的头部。双腿长度为200mm，胳膊为150mm。图1为已设计制造完成的机器人硬件结构与3D设计图。

机器人通过与其配套的扫地模块对地面进行清洁工作，扫地模块是用微型电动机带动旋转扫把进行扫地动作，另一组电动机带动旋转拖把进行拖地动作，另外配有微型吸尘器和垃圾箱，从而实现边扫边吸边拖复合动作。机器人安装了与人类手掌相似的机械手，所以它可以抓取小型物体，是地面清洁更彻底，图2为机械爪机构简图。在清扫过程中能通过超声波传感器识别障碍物，自主拐弯，反复清扫达到最大的清洁效果[2]。

使用航模专用2600mA的7.4V锂电池为机器人提供充足的电能，航模锂电池具有能量密度大、电压高、放电倍率高等优点。驱动全身15个私服电机来使机器人运动。

3.2 机器人传感器的研究

机器人在眼睛处配置了超声波距离感应器，增加了机器人的壁障能力。控制方式采用了遥控加自主双控制方式，在外部安装了红外接收器，可对机器人进行红外遥控。图3为红外传感器电路图：

3.3 机器人芯片及电路的搭建

舵机控制部分的Arduino舵机控制板采用先进的嵌入式32位ARM单片机，关节运动灵活自如。为提高机器人反应速度，控制电路采用多核心控制，既用多个单片机进行控制，各单片机之间进行通信，可大大提高稳定性和处理速度。图4为舵机控制板结构示意图。

图4 舵机控制板

3.4 对机器人运动的控制

机器人的行走方式高度仿人，在行走时脚步会像人一样摆动保持平衡。手臂在抓取物体后可以控制运动方向和速度，到达指定位置。

4 创新点

高智能性是地面清扫机器人一大的亮点，能自行的对周围环境进行判断，并做出相应的动作。双足直立行走是目前家庭服务机器人中比较独特的设计，在复杂路面具有一定优势。

【参考文献】

[1]虞汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2010（7）：3-5.

[2]唐策，赵现朝，齐臣坤.人形机器人建模与步态规划[J].机械制造与自动化，2012，41（4）：158-162.

[责任编辑：王楠]