1、 第五届全国大学生机械创新设计大赛参赛作品设计说明书项 目 名 称 室 内 物 品 取 送 机 器 人 指 导 教 师 张 宝 成 项 目 负 责 人 陈 伟 所 属 单 位 中 北 大 学 机 械 工 程 与 自 动 化 学 院 室内物品取送机器人设计说明书1、作品内容简介该室内物品取送机器人根据人发出的指示，可以实现从指定位置取回物品，或者从人所在的位置将物品取走，放回到指定位置,也可以实现人与人之间的物品传递。二、产品研制背景与意义目前，人口老龄化已经成为世界范围的重大社会问题，其中 60 岁以上的人口增长速度最快。同时，截至 2011 年底，我国 60 岁以上的老年人口达到 1.85
2、亿，占总人口的13.7%。人口的加速老龄化使医疗和社会保险系统面临前所未有的压力，高龄老年人的自我照料能力差，行动和语言的能力下降，所以需要给予他们特别的护理。各类残疾人和长期卧床老年人的大量存在，使得助老、助残问题日益成为一个重大的社会问题.研制开发助老、助残机器人产品，为老年人和残疾人提供诸如护理、陪伴等方面的服务，不仅能够提高老年人的生活质量，而且有助于老年人的心理健康，改善他们的精神状态。我国助老、助残机器人的研究目前还处于刚刚起步的阶段。此外，随着生活节奏的加快，人们不断追求更高质量的服务。鉴于此，我们特设计出这款室内物品取送机器人，融合了运动控制、多传感器组合、路径规划等技术，以更
3、好地协助行动不便的老年人或残疾人，同时也能方便未来的生活。三、 设计方案1、作品设计简介它采用两驱四轮机构，两驱动轮各由一个直流电机控制，大大增加了车体的灵活性。采用折叠连杆机构，通过电动机驱动螺杆，进而带动螺母使连杆的支点分离与靠拢，实现载物平台的升降，结构简单稳定。考虑到机械臂的多自由度控制程序不易编写，故采用柔性机械手的线驱动控制，以模仿人手实现对物体的抓取。它以51系列单片机AT89C52作为检测和控制核心，采用红外光电传感器进行巡线以及对物体所在位置的定位，采用超声波传感器进行避障，通过遥控辅以无线控制模块以实现人对机器人的直接控制。当电量不足时，自动回到特定位置充电，以此实现续航(
4、模型中以铅酸蓄电池代替)。该机器人为机电产品，主要包括机械部分设计和电子控制两部分。2、机械结构2.1、外部结构设计该服务机器人工作环境为室内，地面较为平整，故采用四轮机构而不采取三轮机构，以增加车体的稳定性；鉴于空间的限制以及车体重量、强度、经济性的要求，考虑到立方体框架结构不仅可以节省材料，有利于减轻重量，而且设计简单容易实现。在框架结构搭建好以后，我们通过受力和承重实验，发现可以满足设计要求。外部支撑框架的设计是本着一切从实际应用出发的原则，按照物品通常的放置高度所确定；另外为了使得该机器人能够在一定的外部冲击下正常工作，且在承受上部升降机构和载物平台的全部重量和作用力下不至于被压垮，以
5、及在扭转力的作用下不至于发生扭转变形；因此我们必须选择一种质轻且有足够强度的材料。通过在材料市场上了解，以及询问指导老师的意见，我们选择了合金角铝型材作为该机器人的框架结构搭建材料。工作时通过折叠架实现车身的升降，以达到对较高位置物品的取放目的。2.2、行走机构机器人的行走机构为车轮方式：左右轮为驱动轮，分别受左右两个带减速器的直流电机控制，前后轮为万向轮（从动轮） ，由此构成四轮对称结构。 左、右轮除负责前进与后退外，当两轮的转速不同时，还可以实现曲线行走以及原地旋转。电机控制车轮运动情况如下：左电机状态 右电机状态 机器人运动情况正转 正转 直线前进反转 反转 直线后退正转 停 右转弯停
6、正转 左转弯正转 反转 原地顺时针旋转反转 正转 原地逆时针旋转本机器人采用红外线传感器阵列（如图均布于车底，用于巡线)和超声波传感器（布置于车身周围，用于避障） ，将检测到的信号经过 AT89C52 单片机进行判断和处理，进而控制分别固连在两主动轮的电机进行工作，使机器人实现任意方式的行走。2.3、升降架设计该升降架采用折叠伸缩衣架的原理，极大地减小了机器人的体积，且能改变作业的高度，可操作性较好，同时连杆结构增加了车体的刚度，减轻了车体重量。此外，我们还实地考察了重型升降架的结构，并在本机器人升降结构上得到了很好的运用。它采用两排折叠机构，中间靠两根杆固连在一起，以实现整体同步平稳地升降。
7、升降架采用合金铝型材进行设计加工，相邻部分通过螺丝连接，形成旋转铰支。它分别与基座和顶部连接，一端构成铰支结构，另一端靠连接轴承轮在导轨上滑动。通过驱动连杆末端的水平方向的移动，来实现车身的垂直方向的升降。2.4、转动平台的设计转动平台的设计一是为了安放机械手驱动电机，二是承载上端载荷，缓解对旋转电机输出轴的力矩。它与旋转电机共同作用，实现机械手的旋转，从而完成取物的后处理过程。2.5、机械手的设计考虑到夹持物品时的稳定性因素，我们放弃了原定的叉车的取物方式，特采用目前的柔性机械手的设计。该机械手能进行包络抓取，控制精确稳定，并且负载能力较强，能够应用于对较大尺寸、形状变化范围物品的抓取。此外
8、，该柔性机械手采用线驱动控制，使结构更加简单，且驱动及编程更易于实现。该机械手模拟人手的构造进行设计，取物方式类似于人手。它由两排共计14个大小相同的连接件组成，见图。各连接件通过螺丝搭接在一起，并采用双螺母进行自锁，该部分相当于人的指关节。各连接件沿轴向两侧分别打上穿线孔，通过两根线反向缠绕于绕线轮，使电机输出轴与绕线轮固连，通过电机的转动实现机械手的张开与合拢。2.6、螺杆传动螺杆传动就是通过电机带动螺杆旋转，从而带动与螺杆相啮合的螺母进行直线运动。该室内物品取送机器人采用此种机构，用以实现升降架的升降控制。如图所示，电机通过联轴器与螺杆固接在一起，然后通过一个特殊的固定机构，将螺杆上的螺
9、母与垂直于螺杆的传动杆相连，将螺母的旋转运动转变成直杆的水平移动。直杆的两端分别固接于升降架的两个运动端，直杆的水平移动带动升降架的升降运动，从而实现了将电机的动力输出通过螺杆机构转移到升降架的垂直移动。该机构的特殊之处在于：1、通过螺杆机构将水平运动转变为垂直运动；2、螺母与直杆的固接机构，出自于一个异体同构思想的创新；3、为了进一步稳定螺母的输出，使得水平直杆能够稳定平移，采用了双螺母固定。 3、电子部分3.1、系统总体控制室内物品取送机器人主控系统的结构框图如图1 所示。系统主要由单片机控制系统、传感器系统、电机驱动系统3 大部分组成。其中单片机控制系统的处理器采用国产芯片STC12C5
10、2RC,完全可以胜任本系统的计算和处理速度。运动系统主要通过单片机给出的多路PWM信号对各个电机进行控制。传感器系统由超声波测距传感器、红外模块等组成。各 部 分采 用 模 块 化 设 计 ， 具 有 一 定 的 扩 展 性 ， 开 发 维 护 简 单 易 行 。3.2、超声波模块超声波是一种一定频率范围的声波，它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其具体的计算公式为： svt2 。其中，s为障碍物与机器人之间的距离；t为从发射到接收经历的时间；v为声波在空气中传播的速度。在室内
11、物品取送机器人中，避障功能的实现正是利用了超声波测距的原理。它的传感器部分由三对（每对包括一个发射探头和一个接收探头）共六个超声波传感头组成。探测范围的确定：由于每一个超声波探头都有一定的指向性（即发射或接受的空间范围） ，所以在测量时必然存在盲区（如图2） 。因此，三对传感器必然以一定的尺寸分布在机器人的周围，从而使传感器测量的范围包含整个室内物品取送机器人所必须经过的空间，同时又避免探测死角（既使盲区落在须测量的范围之外） 。控制部分的核心是89C52单片机，它根据接收的信号（左、中、右三路）的幅值，以及从发射到接收的时间间隔，计算并判断障碍物的相对位置。在此基础上，根据事先设定的规则，选
12、定相应的避障措施（前进、左转、右转、后退、调头） 。在确定了避障措施后，要向电机的控制器输出相应的控制脉冲，以实现避障。3.3、路径规划设计路径规划是服务机器人顺利完成智能空间中各种服务（如物品抓取、目标跟踪）的基本环节之一，定义为按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。为了实现高精度实时定位目标，采用红外线传感器阵列。89C52单片机检测光电传感器的信号，并控制两个直流驱动电机状态。3.4、电源变换电路设计机器人的供电系统分为两部分：单片机需要+5V 的电源，而直流电机需要+12V 的电压驱动。机器人系统采用+12V 的可充电铅酸蓄电池进行供电，通过稳压芯片进
13、行降压处理，以此来获得+5V 电压。电压转换原理图如下。3.5、自动充电系统的设计充电站设置在墙壁上固定位置，通过发射红外线信号的遥控器，用来向机器人提供充电站位置信号。机器人通过背面左右对称的两套一样的红外接收装置来判断充电器的方位，进而调整车体的运动。电极对接后，机器人停止所有功能，转入休眠的充电状态。两个红外接收器的信号接收情况与机器人运动方向的控制关系为：右红外接收头 左红外接收头机器人方向状态 控制内容无信号 无信号机器人没有检测到充电站的红外信标原地旋转并进行检测，转三圈仍检测不到，移动一个位置再旋转检测，直到发现信标为止无信号 有信号基本对准充电站，但机器人的方向偏左右旋转，同时
14、检测，直到两个接收头均有信号再直线后退有信号 无信号基本对准充电站，但机器人的方向偏右左旋转，同时检测，直到两个接收头均有信号再直线后退有信号 有信号 机器人正对充电站直线后退可到达充电站并与充电站实现电极的对接完成充电鉴于资金及时间等问题，初步设计暂以蓄电池代替该部分完成其余所有的预期功能，而自动充电系统有待于进一步设计和改进。 4、具体实施方式4.1、工作原理通过遥控器给机器人一个指令，机器人通过传感器采集环境信息传递给单片机，然后单片机通过输出控制信号控制各个电机的运动状态来实现预定功能。运动方式如下：车轮电机 34 直接驱动主动轮 29 以实现各个方向的运动；电机 22 通过联轴器 2
15、1 带动螺杆 20，螺杆 20 将旋转动力转化为螺母 25 的直线运动，螺母 25 带动连杆 27 使升降杆 15 连接成四边形结构水平运动转化为垂直运动，由此带动载物台 24 的升降运动；电机 11 带动支架 10 做旋转运动以实现机械手的方向改变；电机 9 通过线 6 是机械手处于张开或闭合状态。4.2、材料及安装技术要求如图 2 所示机械手结构，机械手的每个手指 3 通过两侧的连接孔 2 用螺钉连接，末端三个关节通过固定板 4 固死，机械手通过螺钉连接在支架 10 上，电机 8 通过紧配合固定在支架 10 上，绕线轮 7 固定在电机 8 的轴上，线 6 通过穿线孔 1 连接每个手指 3
16、并将线 6 的末端固定在绕线轮 7 上的穿线孔 8 上。支架 10 固定在电机 11 的轴上，由此得到机械手。如图 3、4、6、7、9 所示的升降架结构，滑槽 12 和支架 23 通过螺钉固定在载物台 24上，升降杆 15 通过螺钉固定在支架 23 上，轴承 13、19 也通过螺钉固定在升降杆 15 上，并分别卡进滑槽 12、18 中，连杆 27 通过其上盲孔 39 固定到连接轴承 13、19 的螺钉上；升降架 15 之间通过螺钉连接成四边形结构；螺杆 20 一端固定在轴承 17 的内孔中，另一端通过联轴器 21 连接在电机 22 的轴上；轴承 17 固定在轴承座 16 上的轴承孔 42 中；
17、螺母 25 通过连接件 26 上的螺纹孔 35 固定在连接件 26 上的槽 38 内；连杆 27 固定到连接件 26 的通孔36 中；螺母连接在螺杆 20 上。由此得到升降架结构。如图 5、8 所示的行走机构，支架 28 通过螺钉连接成框架结构；底板 33、车轮电机 34通过螺钉连接到支架 28 上；万向轮 32 固定到底板 33 上；车轮 29 固定到车轴 30 上的轴 40上，车轴 30 连接到车轮电机 34 的轴上。由此得到行走机构。附图说明图 1 是手指关节图。图中：穿线孔 1、连接孔 2。图 2 为手结构图。图中：手指 3、固定板 4、连接螺钉 5、线 6、绕线轮 7、穿线孔 8、电
18、机 9、支架 10、电机 11。图 3 为升降架结构。图中：滑槽 12、轴承 13、连接孔 14、升降杆 15、轴承座 16、轴承 17、滑槽 18、轴承 19、螺杆 20、联轴器 21、电机 22、支座 23、载物台 24。图 4 为升降架结构前视图。图中：螺母 25、连接件 26、连杆 27.图 5 为车体基座结构。图中:支架 28、主动轮 29、车轴 30、连接螺钉 31、万向轮 32、底板 33、车轮电机 34。图 6 为连接件结构图。图中：螺纹孔 35、通孔 36、槽 37、槽 38。图 7 为连杆结构图。图中：盲孔 39。图 8 为车轴结构图。图中：轴 40、盲孔 41。图 9 为
19、轴承座结构图。图中：固定孔 42、轴承孔 42。图 1图 2图 3图 4图 5图 6图 7图 8图 9四、机构受力分析与校核1、机械手驱动电机假设机械手工作状态如图示，实际起夹持作用的有 6 个连接件，因此接触面共有 6 个，近似为正六边形。对关节 A 受力分析，可知：A 受到线 1 的拉力 与 线 2 的拉力 作用，夹角为 1F2F，由于同一根线各点受力均匀，因此有 = =F ，得到 =F，同理有 =F 。对连120 2AB接件 AB 受力分析后得 M 点对物品的压力 。FFBA30cos3csN1 已知绕线轮半径 R= 10mm，电机输出转矩应满足 。查表得摩擦系数 ，RTM0.8对待取物
20、品进行受力得： ，即 ，假定转速为mg16mN128.036g24r/min，则由 ，求出 P=0.03w。 ）（ NnP09.5T于是，机械手驱动电机参数如下：型号：GW370，电压：DC12V，空载转速: 24r/min，负载转速： 18r/min，输出扭矩： 5kg.cm额定电流：0.3A，重量：0.18kg。2、车轮驱动电机取车轮与地面的摩擦系数为 =2，每个驱动车轮受到地面支持力 N= ，已知车体总重4mgm=4Kg，车轮与地面之间的摩擦力： N。由于驱动力全部来自两20412Nf个驱动电机，所以取 =40N 计算，f2，Nmm，故可以取 T=500Nmm。所以选择车轮驱动电机参数如
21、340m5.840RfT，下：型号：GW370，电压：DC12V，空载转速: 24r/min，负载转速： 18r/min，输出扭矩： 5kg.cm额定电流：0.3A，重量：0.18kg。3、螺杆驱动电机的选择由升降架的运动学分析，假设 A、B 两点的速度分别为 和 ，且二者沿杆方向速度分1v2量相等，即 cosv21由几何关系， 90已知杆 AC 长 L=300mm， 当 由 变化到 ，A 点得位移 S= 1 tv)cos-L11（由位移与速度的关系可知， dtvh2由上述各式得到 。)sin-L1（为了便于启动，设定 ，升降架升高 H=300mm，于是 h= =150mm，则求出51 2Hh
22、c49.36 ，即为终了时 AC 与水平线夹角。 A 点初始位置为 A0，整个工作区间水平位移，规定 t=0.5min 时间内平0S m39.436.49cos-30)cos-L21 ）（ 台到达指定高度，则 A 点移动速度 3.15mm/s ，电机直接驱动螺杆转动转化为螺母tSV01的移动，关系为： ，其中 P=8mm，为螺杆的螺距。求出 n= 23.625r/s。1P60n PV601根据能量守恒定理，电机做功转化为系统增加的重力势能（不计摩擦阻力） ，其中m=2Kg，得到 ，求得电机功率为 P=0.2w。mgHt故选择电机参数如下：型号：GW370，电压：DC12V，空载转速: 24r/
23、min，负载转速： 18r/min，输出扭矩： 5kg.cm额定电流：0.3A，重量：0.18kg。4、螺杆强度校核细长螺杆由于受到较大的轴向力的作用时，可能会丧失稳定（发生随机侧弯） ，其临界载荷与材料、螺杆细长比（或则称为柔度 ）有关。iul/（1）当 时，临界载荷 由欧拉公式 决定；0CF22)/(lEIC式中：E螺杆材料的弹性模量，对于钢材 E= ；MPa5106.I危险截面的惯性矩，度螺杆可按螺纹小径 计算，则 ；d4416/mdIL螺杆的最大工作长度（mm） ；u长度系数，与螺杆端部的结构有关: 对于传导螺杆可视为两端铰支，取。1i螺杆危险截面半径，若螺杆危险截面面积 ,则214/
24、mdA。mdAIi4/1（2）当 时，0对于 的碳素钢取 ；MPaB37 4/)12.304(dFc对于 的优质碳素钢取 。4 57621C（3）当 时，不必进行稳定性校核0稳定性校核应满足的条件为 SFCa/S为稳定性校核的安全系数，通常取S=2.5-4。该机器人螺杆小径 =7mm，u=1， l=300mm，得到 =171.4，则 =660N，升降1d 22)/(ulEIFC架以上重量大约为 2Kg，远小于该螺杆的最大承受载荷，故满足稳定性校核设计。5、机械手材料选择机械手要抓起 1Kg 重的物体，对摩擦系数要求较高，可以在机械手爪内侧粘上一层橡胶以增加其与待取物品的摩擦系数。已知物体与机械
25、手之间的摩擦系数约为 0.8，则夹紧力临界值为 。而有机玻璃板的冲击强度16kg/cm3 ，抗冲击12.5N0.81gmF2夹强度高且易于进行车削加工，故选用有机玻璃来制作机械手，完全可以满足使用要求。5、成本预算及分析购买材料 支出预算 用途 加工场所 备注轴承 80升降架移动轮、螺杆转动10 个电机 200驱动车轮、机械手、螺杆、转动平台5 个联轴器 10连接螺杆和电机输出轴童车轮 70 驱动轮 2 个有机玻璃板 250制作底板、载物平台、机械手、转动平台、轴承座等数控加工中心两种厚度：5mm、20mm铅酸蓄电池 80 为系统供电 12V铝合金型材 150升降架、基座框架数控加工中心螺丝包
26、 10 连接、固定丝杠 20 传递运动 1m万向轮 20 提供支撑、导向 2超声波模块 60 避障 3 个红外模块 30 巡线 3 个电机驱动模块 90 驱动电机动作 L298，3 个鱼线 10 控制机械手遥控模块 80 发送信号 两套单片机最小系 30 控制 2 个统直流可调降压器 10降压 LM2596,1 个总费用 1200六、产品创新点与市场前景1、创新点 1. 采用柔性机械手的线驱动控制，使结构更加简单，驱动及编程更易于实现；2. 该机器人针对室内物品相对固定的特点，采用了坐标以实现对机器人的定位，省去了对复杂环境的辨识环节，同时也使处理器运算量降低，使得采用低端处理器成为可能；3. 采用折叠连杆升降机构，降低了车体的高度，节省了材料和空间；4. 该机器人通过自动充电以实现长时间续航；5.系统根据行走路线，由红外传感器阵列实现巡线功能，保证了路线的准确性。2、市场前景步入二十一世纪，随着人们生活质量的提高，对机械设计的安全性、稳定性、适用性和实用性提出新的要求，并且针对特殊人群如老年人和残疾人的机械设计，有着广阔的应用空间。 当下机器人制造和使用成本居高不下，且使用范围推广普遍性不够。本产品从上述几点出发，通过对家庭环境分析，创造性地提出了结构简单、性能稳定且成本低廉的家庭服务机器人，使得机器人能够走进大多数人的家庭，更好地服务于人们的日常生活之中。
