机械创新设计大赛(省二等)设计说明书

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

一、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(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：

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。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，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STC12C52RC,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： s＝v×t／2 。

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。

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