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机器人系统方案设计

人气:发表时间:2018-6-15 14:52:27 【

目录:

1 机器人外形设计

1.1 外观造型

1.2 色彩设计

1.3 材料选择

2 服务机器人整体系统结构设计

3 服务机器人机械结构设计

3.1 机器人行走结构

3.2 全向轮介绍

3.3 机器人底盘机械设计

4 控制系统设计

5 室内定位设计

5.1 室内定位方案选择

5.2 LocalSense?定位原理

6 路径规划设计

6.1 路径规划方案选择

7 传感器模块设计

7.1 摄像头

7.2 超声波传感器

7.3 其他传感器



1 机器人外形设计

1.1 外观造型

老年服务机器人的的产品设计与普通工业产品设计一样都要有一定的设计原则作为指导[4],根据工业产品的设计原则,要按照功能、人机工学、审美规律等原则设计服务机器人的外形。

首先需要考虑的服务机器人的功能,没有功能的产品没有存在的价值。产品要具有明确的功能,满足人类物资或精神方面的需求。老年服务机器人的主要功能有多个方面,第一,随着中国劳动力短缺,老龄化日渐严重,空巢家庭的大量出现,机器人要能够缓解人们疲劳、空虚、寂寞的心理状态,给老年人带来欢愉和安慰感,从而给老年人带来精神上的享受。造型迎合大众心理需求,多采用流行的、趣味十足的元素,满足人们精神慰藉的渴望。第二,因为老年人腿脚不便,老年机器人还要可以照顾老人的生活起居,平日生活中可以根据老人的需求为老人服务,比如倒杯水或者扶着老人行走等等,所以老年机器人机械臂要足够灵活。

机器人1.JPG

其次,机器人设计需要满足人机工学。有些机器人产品并没有取得应有的成功就是因为没有从用户的心理出发,没有站在用户的角度出发,去分析用户的心理特征,不符合使用人群的使用习惯,不能给使用者带来舒适的使用体验。

1.2 色彩设计

对老年机器人进行设计时,在考虑色彩搭配的同时要考虑到老年人的生理和心理的特征。色彩应该注意调和同时也应该抛弃以往的单调灰色色调。采用红色或者黄色等提醒色对一些显示器的警示器、警示按钮进行功能分区。同时选用一些给人以宁静、和谐、温暖、熟悉感觉的色彩作为主色调。所以建议老年机器人采用白色作为主色调,红色、黑色为配色,色彩亮丽,给老人亲和的感觉。

1.3 材料选择

伴随着材料科学技术的进步和材料加工成型技术的不断进步和发展,越来越多的设计师更加注重材料质感的设计。不同的材料给人不同的感觉,材料的感觉特性源自材料固有的特性,还会根据材料加工成型和表面处理的不同而不同。老年人机器人选用的材料应该倾向于亲和、质朴、充满人情味[5]。

机器人2.JPG

2 服务机器人整体系统结构设计

机器人在总体设计时采用模块化设计[1],使机器人在机械系统的各部分都有明确的功能单元分工。模块化设计是将统一功能单元设计成具有不同用途和性能、可以互换的模块。他的最大的优点就在于他能够根据实际需要,按功能要求分别设计为不同的功能模块,各功能模块通过与底盘连接构成一个有机整体。

按照这种功能划分可以将机器人分为动力、控制、传感三个功能模块。底箱为动力系统,装有电机、驱动器和电池。底箱内部可以安放电池和轮系控制与驱动电路。中箱为控制系统主要安装单片机、驱动模块和外接电路插件(例如传感器的采集与转换装置)。顶箱为传感系统,在前面正中及左右相邻设置圆孔,以安装超声传感器及加速度计。顶箱面板上安装摄像头、无线网卡等。

机器人执行任务时,首先通过传感系统获得自身、环境、任务对象的情况,然后与给定的任务进行比较,根据比较结果,机器人的主控制器决定下一步的动作并给运动控制模组发出指令,运动系统执行指令,机器人自身、环境、任务对象发生改变,并被机器人传感系统获取到新的状态,再与给定任务对比,如此周而复始。如下图2.3所示。其实,仔细想一想,其实机器人执行任务的这个过程跟人类在完成一件事情很相似。

3 服务机器人机械结构设计

3.1 机器人行走结构

行走机器人是机器人学科当中的一个重要的分支,关于行走机器人的研究涉及很多种方面。首先要考虑的就是移动方式,包括轮式的、履带式的和腿式的。机器人的机械结构形式,应该根据实际需要进行选型和设计。在机器人机构方面,应当具体结合机器人在各个领域及各种场合的实际应用,开展丰富而富有创造性的工作。当然就目前来看对足式机器人、履带式机器人和特种机器人的研究比较多,但目前大多数都仍然处于研究阶段,尚未投入实际生产应用。而轮式机器人由于其自重轻,承载大,机构简单,控制方便等优点,目前使用的比较多。

前后两个为辅助轮(全向轮),全向轮的优点是方向性好、灵活、精度高,缺点是价格贵、控制难度大。左右两轮为独立驱动轮,每个主动轮都有一个单独的步进电机驱动,两个步进电机由单片机控制。该结构具有的优点就是结构简单,转动半径小,可以实现原地旋转,适用于复杂的家庭环境,能在室内自由灵活的移动。

3.2 全向轮介绍

全向运动的关键结构称为全向轮,所谓全向轮是在大轮的圆周上均匀布置一定数量的可沿侧向滚动的小轮,这样无论直线运动还是拐弯,总是以滚动代替滑动,大大减少摩擦力[1]。现在的全向轮就是所谓的活动脚轮,它的结构允许水平360度旋转。脚轮是个统称,包括活动脚轮和固定脚轮。固定脚轮没有旋转结构,不能水平转动只能垂直转动。

万向轮.JPG

全向轮可以分为单个全向轮和组合全向轮。单个全向轮即单个轮子就具有全向移动能力,他有三个自由度,球形轮轮体为球形,通过控制分布在轮体周围的摩擦轮来实现球轮的驱动。

组合全向轮的设计思路是:驱动轮可以在不平行与驱动方向上自由滚动,将几个这样的这样的全向轮组成一个系统,在这个系统中单个的轮子在一个方向上可以提供扭矩,但在另外一个方向上能够自由滚动。组合全向轮在国内外已经发展应用了很多年,出现了各种样式,例如:

(1)麦克纳姆轮

麦克纳姆轮在轮缘上有很多纺锤行的辊子,车轮可以横斜向滑动,将这种轮子组合使用,当轮子绕固定轴线转动时,各小辊子形成了连续的圆弧形包络线,所以可以使车体实现平滑的全向运动。

(2)瑞士轮

瑞士轮是在一个大轮子周围垂直方向分布若干小轮子,大轮子由电机驱动,小轮子可以自由转动,使得机器人在大轮子垂直方向侧滑时没有摩擦,如果将三个或者三个以上这种轮子固连在机器人的底盘上,每个轮子就可以提供一个与驱动轴重合的扭矩,这些扭矩的合成可以使机器人具备全向移动能力。

3.3 机器人底盘机械设计

机器人底盘是连接机器人驱动轮系与机器人主体结构的承重装置。由于本次设计机器人采用四轮行走机构,但是平面内三点确定一个平面,当地面有稍微的不平整是,或许就会出现机器人一个主动轮不能着地的现象。这种现象会大大减弱机器人的行走控制和机器人速度检测,为了避免这种情况发生,本文的主动轮采用了一种简单的悬挂装置。这样机器人在行走过程中就会尽量避免打滑,同时这样也有一定的减震作用[7]。悬挂装置可以仿照汽车车轮悬挂装置,同时为了避免一个车轮震荡对另一个车轮的影响,建议使用独立悬挂结构。

底盘.JPG

4 控制系统设计

机器人采用上、下位机两层结构形式的控制系统,上位机通过对传感器等信号处理加工获取有用信息,决策系统做出正确决策,然后通过CAN通讯模块将运动指令发送给下位机,下位机控制器控制各个电机做出相应指令。

对于室内机器人下位机,通常采用单片机作为机器人的控制模块,这样的机器人具有结构简单、成本低廉等优点。本文基于实现老年服务机器人行走、转向、室内服务和房间识别等功能设计了室内服务机器人的控制系统。

对于不同的行走模组有不同的控制方法,每种不同的控制方法都有其独有的问题考虑。本文主要考虑的问题是单片机驱动电机运行、上下位机通讯设计和传感器信号采集与处理。

控制系统.JPG

机器人控制系统分为硬件电路设计和软件控制算法设计,硬件模块主要有单片机处理模块、电机驱动器模块、传感器模块和CAN总线通讯模块。软件系统主要有单片机控制电机驱动器程序算法和传感器信息处理程序模块。相应的控制方法在机器人硬件设计和机器人软件程序设计中给出。

5 室内定位设计

在室外运动的机器人可以采用卫星导航系统来定位。但是老年服务机器人主要运动范围是室内,由于墙壁的遮挡,卫星导航系统并不能在室内给出精确的定位。现在的室内定位技术也有很多种,比如蓝牙定位技术、无线局域网络(WLAN)定位技术、地磁场定位技术、无线电定位技术、无线脉冲定位技术等等。

5.1 室内定位方案选择

在本次设计服务机器人的定位系统中。我选择清研讯科的一款室内定位产品LocalSense?。它是国产新型室内外无线定位系统,采用无线脉冲专利技术,系统最高可达10cm级定位精度。系统由本公司独立研发,拥有多项知识产权,研发团队来自清华大学测试技术与仪器国家重点实验室,是国内唯一的工业高精度定位、商业智能定位全领域产品和服务提供商。LocalSense?的室内定位单元包括监控终端、定位引擎、微基站和标签四部分组成。

5.2 LocalSense?定位原理

无线电技术是在自由空间传播的电磁波上面搭载了一些信号并通过这些信号来传递人们所需要的信息。无线脉冲技术也属于无线电技术的一种。他的测量原理是TOA(Time of Arrival),TOA测距是根据信号传输时间的长短来测量无线脉冲发射端与基站之间的距离,以此来估算到两个节点的距离。它能够运行在多路径环境,并且提供分米级的测距精度[13]。

6 路径规划设计

在关于移动机器人的研究中,研究的核心是导航,而路径规划是机器人导航研究的重要组成部分。机器人在执行任务时,需要机器人在工作环境中能按照一定的评价标准搜索一条从起始位置到目标位置的最优或次优路径。移动机器人的路径规划根据环境是否已知可分为基于地图的全局路径规划和基于传感器的局部路径规划[14]。其中全局路径规划有珊格分解法、拓扑法和惩罚函数法等,局部路径规划有人工式场法、遗传算法、模拟退火法和蚁群算法等等。在本次设计中我们选择的是一种基于扫描法的在线构造拓扑图的路经规划算法。

6.1 路径规划方案选择

与传统路图法相对比,本文所使用的算法是利用扫描法搜索障碍物切点,然后构造环境拓扑图,这样可以提高算法实用性,降低计算复杂度;在机器人行走过程中利用启发式函数对下一个障碍物选择适当的离开点进行扩展,逐步完善拓扑图,避免了一次性构造整个环境拓扑图所引起的不必要的大计算量。为保证机器人顺利地避开障碍物到达目标位置,它提出了"直线行走"和"绕障碍行走"这两种行为模式,。该算法易于在线实现,计算复杂度低,易于在机器人行走中实现。

在二值图像中,通过一个只出0和1组成的矩阵来描述图像。在白区,像素值为1;在黑区,像素值为0;因此,当用二值图像来表示环境时,如用黑色代表障碍物所占区域,用白色代表可行区域,则可以通过像素值0和1来区分障碍区与可行区。

所谓扫描法 ,即以机器人当前点(离开点或起始点)所在位置为一端点,分别以二值图像边缘上的各个像素点为另一端点做直线段。在画每一条线的过程中,利用柏森汉算法逐个计算应画的像素点,并判断这些像素点的像素值。若一直到画完此线,均未遇到像素值为0的点,则表明此线段完全落在可行域,且不与任何障碍物相交或相切。若只遇到一个像素值为0的点,则所画线段完全落在可行域,且与障碍物相切,像素值为0的点即为切点。若像素值为0的点多于一个,则所画线段与障碍物相交。

在每次扫描(扩展)后,将新得到的切线和相应曲线作为新构造的路径,和原有拓扑图合并,实现对原有拓扑图的扩充,如此循环直到拓扑图中存在由起点到口标点的可行路径为止。在构造拓扑图时,并不是一次性的构造整个环境的拓扑图,而是根据启发式函数有选择的对离开点进行扩展,并逐步完善拓扑图,从而降低了计算量。

7 传感器模块设计

机器人的传感器和人的感觉器官并不是一一对应的,但是机器人可以具备人类所没有的感知能力,但又不可能具备人所有的感觉器官。机器人身上所配备的传感器足够满足机器人的功能要求就可以了,与此同时还要考虑机器人的制作成本、体积和功能精度要求。

7.1 摄像头

在简单机器人系统中只配备一个摄像头就可以了,因为在人类获取外界环境的信息中,眼睛所看到的信息能够占70%左右。在使用摄像头时,最简单的网络通信用摄像头插入计算机的USB接口就基本可以满足要求了,但是专业一些的摄像头一般需要经过一些转换设备才能被计算机采集到的图像设备,例如需要一块安装在计算机上的图像采集卡。在本次设计中应考虑到摄像头的实用性来选择摄像头,只要摄像头能够准确识别室内障碍物并且能够进行人脸识别并且传给计算机对图像进行处理就足够了。

摄像头.JPG

7.2 超声波传感器

机器人要实现在未知和不确定环境下运行,必须具备自动导航和避障功能。在机器人导航系统中,传感器有着极为重要的作用。视觉、激光、红外或超声传感器等都在实际应用中得到了广泛的应用。其中,超声传感器以其信息处理简单、速度快和价格低,被广泛用作移动机器人的测距传感器,以实现机器人的避障、环境建模和导航等功能。

超声波.JPG

超声波传感器并不是模拟人类的听觉的类似语音识别的传感器,它主要是用来模拟人类的接近觉来实现机器人对障碍物的实时测距,从而可以实现机器人避障。在比较复杂的应用系统中,它甚至可以测出物体的相对倾角或者物体形状大小。也可以实现机器人无冲击接近和抓取物体,是一种应用广泛的传感器。

7.3 其他传感器

出了上面介绍的传感器机器人还可以拥有明暗觉、位置觉、形状角、接触觉、压觉、力觉等感觉。当然了,一种机器人只需要具备其中几种足够满足实际应用需求就可以了。

机器人传感器的分类方法有很多种,常见的分类方法大致可将传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器包括位移传感器、力觉传感器、温度传感器、速度传感器、平衡传感器。他们主要用来测量机器人内部参数变量,掌握机器人的实时状态。外部传感器包括听觉传感器、视觉传感器、触觉传感器、距离传感器等等。主要作用就是测量机器人外部环境的各种物理量,从而对这些物理量加以分析处理。

对于老年服务机器人来讲,除了上面细讲的三种传感器之外还可以加装位置传感器例如限位开关来避免机器人硬碰撞。或者温度传感器来实时测量室内温度以丰富服务机器人的功能。对于这些传感器要看机器人要实现的功能进行详细划分并添加,总而言之,机器人身上会有各种各样的传感器来完善机器人的性能。

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