導(dǎo)語：如何才能寫好一篇機(jī)器人設(shè)計(jì)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

可以攀爬樓梯，進(jìn)入危險(xiǎn)火場(chǎng)執(zhí)行消防作業(yè)：排出濃煙、噴灑水霧降溫、噴射水柱、泡沫滅火，甚至可以排除障礙，救出被困人員；這一段描述的不是科幻電影的場(chǎng)景，而是今天正在消防部隊(duì)服役的真實(shí)的產(chǎn)品——消防機(jī)器人

消防機(jī)器人是一種用于消防作戰(zhàn)的消防車輛，它可以經(jīng)遙控進(jìn)入消防員無法靠近的危險(xiǎn)場(chǎng)所：如高溫、濃煙、毒氣、易爆等惡劣環(huán)境中進(jìn)行消防作業(yè)，有效保護(hù)消防員的人身安全，提高了消防作戰(zhàn)效率；其消防功能主要有：在遠(yuǎn)距離遙控模式下進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)向火場(chǎng)噴灑水霧，排除煙塵，噴射水柱或泡沫滅火等；它可以前后行進(jìn)，原地自轉(zhuǎn)，跨越障礙，翻陡坡、爬樓梯等靈活動(dòng)作；消防機(jī)器人的誕生是科技與人性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的發(fā)展成果。

[緣起]

我們看到的這款由海倫哲企業(yè)生產(chǎn)銷售，上海轱轆軒工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在今年剛揭曉的2012年中國(guó)創(chuàng)新設(shè)計(jì)紅星獎(jiǎng)中摘得至尊金獎(jiǎng)，評(píng)委對(duì)其功能化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)語義形態(tài)給出很高的評(píng)價(jià)，這是對(duì)該產(chǎn)品在研發(fā)中導(dǎo)入工業(yè)設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品綜合價(jià)值的肯定和鼓勵(lì)。

關(guān)于消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)故事是追溯到2011年10月，這家以創(chuàng)新精神聞名行業(yè)的企業(yè)實(shí)施了消防產(chǎn)品科研戰(zhàn)略，其中一項(xiàng)目標(biāo)是希望將其新研發(fā)的消防機(jī)器人能夠以一種前衛(wèi)的面貌打入市場(chǎng)，打破了現(xiàn)有消防產(chǎn)品的同質(zhì)化狀態(tài)，并以此構(gòu)建優(yōu)秀品質(zhì)的企業(yè)產(chǎn)品形象體系。海倫哲企業(yè)委托轱轆軒工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為其新研發(fā)的消防機(jī)器人進(jìn)行產(chǎn)品的全新概念設(shè)計(jì)；經(jīng)過溝通，工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)明確了海倫哲企業(yè)對(duì)該產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)要求：一種顛覆傳統(tǒng)、全新面貌的消防機(jī)器人；并通過工業(yè)設(shè)計(jì)以及相關(guān)技術(shù)從外觀形態(tài)、色彩視覺、人機(jī)工程以及材料工藝等全方面對(duì)產(chǎn)品優(yōu)化，讓消防作戰(zhàn)變得更安全、更迅捷、更有效。

[設(shè)計(jì)前溝通學(xué)習(xí)]

轱轆軒對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)工作的理解是工業(yè)設(shè)計(jì)一定要融入企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)體系，而不應(yīng)當(dāng)是所謂的技術(shù)外包，獨(dú)自蒙頭做方案，因?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)細(xì)節(jié)必然會(huì)關(guān)乎生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)或研發(fā)、銷售部門；工業(yè)設(shè)計(jì)師的工作內(nèi)容更恰當(dāng)?shù)恼f是以產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新為目標(biāo)的綜合協(xié)調(diào)與策劃。在工作開始之前，工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)先深入企業(yè)生產(chǎn)車間，了解消防產(chǎn)品生產(chǎn)的一般流程，常用材料、工藝，同時(shí)不時(shí)的向一線生產(chǎn)人員請(qǐng)教各種疑問和即時(shí)的設(shè)想；同時(shí)，與研發(fā)人員溝通了解其功能原理以及模塊組合關(guān)系，探討各種變更的可能，明確可變動(dòng)結(jié)構(gòu)與不可變動(dòng)的結(jié)構(gòu)或布局；還與商務(wù)采購(gòu)部門溝通關(guān)于產(chǎn)品選配的外購(gòu)件的選用規(guī)則、價(jià)格區(qū)間、選配參數(shù)等。這些學(xué)習(xí)與溝通是后續(xù)設(shè)計(jì)工作沿著正確合理的方向進(jìn)行的首要前提。

[趨向研究]

之后轱轆軒工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)便開始了全面的研討并付諸于設(shè)計(jì)實(shí)踐，按轱轆軒的設(shè)計(jì)流程，首先要做的是產(chǎn)品趨向研究，關(guān)于產(chǎn)品趨向研究，主要是分析該類產(chǎn)品的現(xiàn)狀與發(fā)展歷史，尤其是其產(chǎn)品語義形態(tài)的發(fā)展歷程，結(jié)合當(dāng)下社會(huì)文化、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等因素，探尋產(chǎn)品發(fā)展的趨向，推演產(chǎn)品的前沿狀態(tài)。

相比一般產(chǎn)品，這類設(shè)備車輛產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)更多的是受到來自諸多國(guó)標(biāo)的、行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的限制，同時(shí)復(fù)雜多變且要求高可靠的的功能狀態(tài)決定了一直以來造型與結(jié)構(gòu)的高沿襲狀態(tài)，這樣以來看似留給工業(yè)設(shè)計(jì)師發(fā)揮的余地不是很多，但這不是平庸的理由，轱轆軒是相信產(chǎn)品是有靈魂的，產(chǎn)品的形態(tài)語言是可以傳遞出產(chǎn)品的內(nèi)在靈魂的，而有生命力的產(chǎn)品往往是有著獨(dú)特的內(nèi)在品格和靈魂；在這一方面，產(chǎn)品靈魂的提煉更多的是以產(chǎn)品的社會(huì)角色、功能角色為整體對(duì)象，結(jié)合使用環(huán)境、社會(huì)環(huán)境對(duì)它的定義來探討它“本來應(yīng)該的樣子”或我們稱之為　“天籟之形”的最佳設(shè)想，這是自上而下的設(shè)計(jì)構(gòu)思；另外一方面，是以產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造為單元，探討更多種“同樣合理的可能”或“有沒有更合理的可能”，這是自下而上的設(shè)計(jì)構(gòu)思；兩個(gè)方向的設(shè)計(jì)構(gòu)思互相修正推演出更為出色的產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨向。

從社會(huì)功能的角度定義，消防機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是針對(duì)現(xiàn)代社會(huì)頻發(fā)的火災(zāi)、化學(xué)泄漏甚至核事故等不適合搶險(xiǎn)救援人員靠近的各類災(zāi)害救援，而不止是火災(zāi)；這樣產(chǎn)品形態(tài)的功能語義就顯得尤為重要，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化風(fēng)筒、水炮、泡沫炮以及履帶等功能形態(tài)，在此基礎(chǔ)上還必須通過覆蓋件的形態(tài)將各部件串聯(lián)形成協(xié)調(diào)的整體；經(jīng)過頭腦風(fēng)暴，最后趨向研究鎖定了“雙翼”的視覺聯(lián)想概念：翼，本意為鳥類的翅膀，如今其通感意向已經(jīng)更側(cè)重如：

“飛翔”——飛機(jī)的側(cè)翼；

“威力”——翼虎：添上翅膀的老虎；

“保護(hù)”——翼護(hù)：保護(hù)、佐助之意；

“神奇”——翼神：傳說中巨大的神……

而這些通感意向與消防機(jī)器人的搶險(xiǎn)救援功能特征趨于接近，經(jīng)過與企業(yè)營(yíng)銷部門的溝通，該概念獲得了初步認(rèn)可；同時(shí)，工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與企業(yè)研發(fā)部門討論確定了針對(duì)該概念調(diào)整優(yōu)化的最新結(jié)構(gòu)和布局，工業(yè)設(shè)計(jì)工作很快進(jìn)入外觀造型階段。

篇2

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，可協(xié)助人類工作，以提高工作的精度和效率，在一些危險(xiǎn)、惡劣、任務(wù)繁重的環(huán)境下，機(jī)器人更具有人類無可比擬的優(yōu)勢(shì)［1］。近年來，作為機(jī)器人發(fā)展的新階段，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)方式主要有輪式、腿式和履帶式3種［2］。輪式結(jié)構(gòu)行進(jìn)速度最快，但其地形適應(yīng)能力最差，只能在較平穩(wěn)的地形環(huán)境下行走［3］;腿式結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的越障能力，可在各種地形環(huán)境下行走，但其行進(jìn)速度較慢且控制復(fù)雜;履帶式結(jié)構(gòu)具有牽引性能好，不易打滑，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，但其質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)慣性大，振動(dòng)較大，行進(jìn)速度較慢。為適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境，機(jī)器人多采用輪履式、輪腿式或輪履腿式等復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)，復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)在不同環(huán)境下可采用不同的行進(jìn)策略，極大地提高了機(jī)器人的前進(jìn)速度和地形適應(yīng)能力，成為移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)方向。文中提出了一種8輪腿式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。該平臺(tái)在平整地形環(huán)境下采用輪式行進(jìn)方式，在非平整地形環(huán)境下采用輪腿復(fù)合行進(jìn)方式，具備較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力。文中針對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

18輪腿移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

文中研究的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的工作環(huán)境是野外、非平整地形，要求機(jī)器人平臺(tái)可上、下40°斜坡，并可實(shí)現(xiàn)坡上制動(dòng)，具有一定的跨越臺(tái)階能力，并可調(diào)整起橫滾角。為兼顧機(jī)器人平臺(tái)的行進(jìn)速度和越障能力，機(jī)器人平臺(tái)采用輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易及耗能較低等特點(diǎn)。

1．18輪腿移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8輪腿式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)有8輪8腿，其結(jié)構(gòu)前后左右分別對(duì)稱，主要由機(jī)架1、前部輪腿系統(tǒng)2、后部輪腿系統(tǒng)3和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4構(gòu)成，如圖1所示。其中前部輪腿系統(tǒng)和后部輪腿系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上完全相同，均由一個(gè)擺腿電機(jī)、一個(gè)張腿電機(jī)和一系列傳動(dòng)系統(tǒng)組成，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)的擺腿和張腿兩個(gè)動(dòng)作，進(jìn)而使機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)越障和保持平穩(wěn)，機(jī)器人平臺(tái)輪腿與軸之間的安裝采用花鍵連接。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由左右2個(gè)電機(jī)構(gòu)成，分別通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)其對(duì)應(yīng)的一側(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。8個(gè)車輪均為驅(qū)動(dòng)輪，車輪直徑為200mm，正常行駛下采用輪式行進(jìn)。當(dāng)遇到高于輪子半徑且低于250mm高的障礙時(shí)，通過前后腿協(xié)調(diào)擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)越障;當(dāng)遇到高于250mm的障礙時(shí)，可實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。輪腿之間的角度可以調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整機(jī)器人的橫滾角，在遇到左右高度不同的地形時(shí)，可以通過調(diào)整輪腿之間的角度來保持機(jī)器人的平穩(wěn)。

1．28輪腿移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的輪腿系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人平臺(tái)的輪腿系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)完全相同的前部輪腿系統(tǒng)和后部輪腿系統(tǒng)構(gòu)成，主要完成機(jī)器人平臺(tái)的腿部轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合車輪轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)越障和保持平穩(wěn)。下面以前部輪腿系統(tǒng)為例來說明輪腿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，前部輪腿系統(tǒng)由4條輪腿、1根主軸、1根套軸、傳動(dòng)系統(tǒng)和2個(gè)電機(jī)組成，輪腿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。機(jī)器人平臺(tái)的輪腿系統(tǒng)主要有張合和擺腿兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，分別由2臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)。張合運(yùn)動(dòng)即主軸和套軸同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，由張腿電機(jī)控制;擺腿運(yùn)動(dòng)即主軸和套軸同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，由擺腿電機(jī)控制。2臺(tái)電機(jī)相互配合，從而使輪腿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2種動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人平臺(tái)要做擺腿運(yùn)動(dòng)時(shí)，張腿電機(jī)不供電，主軸和套軸相對(duì)靜止，擺腿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)張腿電機(jī)、主軸和套軸同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擺腿運(yùn)動(dòng);當(dāng)機(jī)器人平臺(tái)要做張合腿運(yùn)動(dòng)時(shí)，擺腿電機(jī)不供電，從而使張腿電機(jī)相對(duì)于機(jī)器人平臺(tái)保證靜止，張腿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主軸和配置同速方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腿的張合運(yùn)動(dòng)。

1．38輪腿移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由2臺(tái)電機(jī)和兩套鏈傳動(dòng)系統(tǒng)組成，左右對(duì)稱，每個(gè)電機(jī)通過一套鏈傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)一側(cè)的4個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過2臺(tái)電機(jī)的配合轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。圖4中，前大鏈輪和后大鏈輪為復(fù)合鏈輪，由3個(gè)單排鏈輪復(fù)合而成，復(fù)合鏈輪只套裝在套軸上，可繞套軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)且不受干涉，和套軸有相同的旋轉(zhuǎn)中心線。機(jī)器人平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)過程為:首先驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)鏈輪再通過鏈條帶動(dòng)復(fù)合鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后復(fù)合鏈輪通過鏈條再帶動(dòng)小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)了車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)輪腿末端的4個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)要通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)車輪正反轉(zhuǎn)，為避免鏈條松動(dòng)，添加張緊輪。

28輪腿移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2．1建立坐標(biāo)系機(jī)器人平臺(tái)的位姿可用機(jī)器人平臺(tái)上的某個(gè)參考點(diǎn)位姿表示，文中建立一系列坐標(biāo)系來表示機(jī)器人平臺(tái)的各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)關(guān)系［5］。依照直角坐標(biāo)變換法，文中建立坐標(biāo)系的準(zhǔn)則為:X軸、Y軸與Z軸的建立按照右手法則，機(jī)器人平臺(tái)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)為繞Z軸旋轉(zhuǎn)，俯仰運(yùn)動(dòng)為繞Y軸旋轉(zhuǎn)，橫滾運(yùn)動(dòng)為繞X軸旋轉(zhuǎn)。由于機(jī)器人平臺(tái)為對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)，因此只建立機(jī)器人平臺(tái)一側(cè)各機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系即可。建立機(jī)器人平臺(tái)右側(cè)輪腿系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系如圖5所示。坐標(biāo)系O－XYZ表示機(jī)器人平臺(tái)中心點(diǎn)的坐標(biāo)系;坐標(biāo)系A(chǔ)－X1Y1Z1，E－X5Y5Z5分別表示機(jī)器人平臺(tái)的前軸中心點(diǎn)和后軸中心點(diǎn)的坐標(biāo)系;坐標(biāo)系B－X2Y2Z2，F(xiàn)－X6Y6Z6分別表示前后軸右側(cè)端點(diǎn)的坐標(biāo)系;坐標(biāo)系C－X3Y3Z3，D－X4Y4Z4，G－X7Y7Z7，H－X8Y8Z8分別表示右側(cè)4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心點(diǎn)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系之間的相對(duì)變化關(guān)系如表1所示［6］。ψ，φ，θ分別表示各機(jī)構(gòu)在直角坐標(biāo)系OXY中分別繞Z軸、Y軸、X軸的轉(zhuǎn)角;α1，α2，α3分別表示機(jī)器人平臺(tái)在大地坐標(biāo)系中相對(duì)于水平面的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角和橫滾角;α4，α5，α6，α7分別表示右側(cè)4條輪腿相對(duì)于大地坐標(biāo)系水平面的傾角。

2．2正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為了推導(dǎo)機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，做如下假設(shè):(1)車輪與地面為點(diǎn)接觸;(2)車輪與地面直接無相對(duì)滑動(dòng);(3)機(jī)器人平臺(tái)整體、車輪與地面的接觸點(diǎn)均為剛體。由表1推導(dǎo)的坐標(biāo)變換關(guān)系，以右側(cè)第3輪為例，推導(dǎo)車輪位姿參數(shù)與機(jī)器人平臺(tái)上參考點(diǎn)位姿參數(shù)之間的關(guān)系［7］。

2．3逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析已知機(jī)器人平臺(tái)參考點(diǎn)的位姿，求各個(gè)輪腿末端的位姿，即為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。一般情況下，如若運(yùn)動(dòng)學(xué)正解唯一，則逆解不唯一，即在文中研究的情況下，已知工作平臺(tái)參考點(diǎn)的位姿，則有多個(gè)輪腿末端位姿與之相對(duì)應(yīng)。但由于機(jī)器人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特殊性，其左右兩側(cè)輪腿的相互制約，輪腿末端的位姿一般情況下不會(huì)有多個(gè)。但在機(jī)器人跨越高于一定高度的障礙時(shí)，機(jī)器人將會(huì)采取擺腿越障，這種情況下輪腿之間的制約因素就會(huì)被削弱，將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)與機(jī)器人平臺(tái)參考點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位姿［8］。由正運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果可得。

2．4逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果驗(yàn)證為驗(yàn)證上述計(jì)算的正確性，用MATLAB軟件中的二維繪圖功能對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。初始參數(shù)設(shè)定為:［XPYPZP］T=［000］T，α2=0°，α6∈［26°，64°］。因?yàn)闄C(jī)器人平臺(tái)輪腿系統(tǒng)的特殊構(gòu)造，一側(cè)腿張開另一側(cè)腿就會(huì)同時(shí)合攏，兩側(cè)腿系統(tǒng)之間相互制約，為了避免產(chǎn)生干涉，取α6∈［26°，64°］。由機(jī)器人平臺(tái)參數(shù)可知:L1=600mm，L7=345mm，L8=230mm，將上述參數(shù)代入式(7)可求得機(jī)器人右側(cè)第3條輪腿末端位姿矩陣:［XYZ］T=［345－230cosα6，300，－230sinα6］T(8)利用MATLAB進(jìn)行運(yùn)算即可得到機(jī)器人平臺(tái)輪腿末端運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

篇3

我們?cè)O(shè)計(jì)的輸電線路除冰機(jī)器人采用除冰桿敲擊式除冰,不傷導(dǎo)線,安全有效,采用三手臂通過旋轉(zhuǎn)伸縮動(dòng)作進(jìn)行越障,操作簡(jiǎn)單可行,結(jié)合輔助設(shè)備上下線裝置進(jìn)行上、下線安裝,操作方便。除冰機(jī)器人主要分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。機(jī)械系統(tǒng)包括行走裝置、除冰裝置和越障裝置3部分;控制系統(tǒng)包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、無線操作模塊和狀態(tài)信息反饋模塊4部分。機(jī)器人通過前、后臂上的滾輪可沿導(dǎo)線行走;在越障時(shí),中間手臂可夾緊導(dǎo)線保證機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性;前、后臂之間可相對(duì)移動(dòng)調(diào)整間距;前、后臂各有1個(gè)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)自由度,結(jié)合中間手臂通過動(dòng)作規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)越障;除冰裝置采用3個(gè)除冰桿從上方交替敲擊的方式,以較小的能量消耗達(dá)到除冰的效果?？刂葡到y(tǒng)的主控模塊負(fù)責(zé)接收無線操作模塊發(fā)出的指令,并將新指令傳送給驅(qū)動(dòng)模塊;驅(qū)動(dòng)模塊接收到指令實(shí)時(shí)控制各電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng);無線操作模塊負(fù)責(zé)將工作人員的控制信息直接發(fā)送給主控模塊;狀態(tài)信息反饋模塊負(fù)責(zé)將機(jī)器人各部件的位置狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給主控模塊,為下一步動(dòng)作提供狀態(tài)信息。在實(shí)際操作中,除冰機(jī)器人通過地面遙控和程序自動(dòng)控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)作業(yè)。

2機(jī)械系統(tǒng)

2.1行走裝置行走裝置作為機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力裝置,需要保證機(jī)器人能夠在導(dǎo)線上平穩(wěn)快速前進(jìn)。由于高壓輸電導(dǎo)線結(jié)構(gòu)特殊,機(jī)器人采用滾動(dòng)原理進(jìn)行移動(dòng)。行走裝置主要包括電機(jī)、支撐軸承、行走輪、絲桿、導(dǎo)向桿、夾緊塊、圓錐滾輪、支撐板等。行走裝置與手臂外筒固定連接,行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器前進(jìn),夾緊電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊塊夾緊導(dǎo)線。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。機(jī)器人前臂在進(jìn)行越障時(shí),重心會(huì)出現(xiàn)向前偏移,后臂可能向上抬升脫離導(dǎo)線,使機(jī)器人前臂出現(xiàn)一定程度的向下傾斜,可能無法順利越障。后臂越障時(shí),也會(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。為了避免上述問題的發(fā)生,在行走裝置上增加夾緊機(jī)構(gòu)輔助越障。該機(jī)構(gòu)的夾緊滾輪設(shè)計(jì)為上小下大的圓錐形,可以保證在夾緊導(dǎo)線時(shí)手臂不會(huì)向上抬升脫離導(dǎo)線。

2.2越障裝置據(jù)前述可知,國(guó)內(nèi)的除冰機(jī)器人很多都無法越障,大大影響機(jī)器人的實(shí)用性。機(jī)器人能否自主越障已成為除冰機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本文中我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人具有越障裝置,能順利越過絕緣子、線夾、防震錘和直線塔等一般物。越障裝置包括行走箱、前后旋轉(zhuǎn)伸縮手臂和中間夾緊手臂4個(gè)主要部件,各部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4~圖6所示。具體越障動(dòng)作規(guī)劃(前臂越絕緣子為例)為:(1)機(jī)器人中間手臂前進(jìn)至極限位置。(2)前后臂同時(shí)收縮,中間臂抬升夾緊導(dǎo)線。(3)前臂升高,行走輪脫離導(dǎo)線。(4)前臂旋轉(zhuǎn)180°,行走輪等偏離導(dǎo)線。(5)行走箱錯(cuò)動(dòng),前臂前進(jìn)至障礙物另一側(cè)。(6)前臂旋轉(zhuǎn)180°,行走輪位于導(dǎo)線上方。(7)前臂收縮,行走輪等回落至導(dǎo)線上。此時(shí)前臂成功越障。后臂越障動(dòng)作規(guī)劃與前臂基本一致。

2.3除冰裝置目前,國(guó)內(nèi)可采用的機(jī)械除冰方式有敲擊、沖擊、銑削、切削、鏟刮、振動(dòng)等[1]33-34。本團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了敲擊、銑削和切削3種方式的除冰實(shí)驗(yàn),通過分析比較發(fā)現(xiàn)敲擊除冰相對(duì)更安全有效。該除冰裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,原理是電機(jī)通過凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)除冰桿上下運(yùn)動(dòng),通過3個(gè)除冰桿從上方交替敲擊覆冰的方式,以較小的能量消耗實(shí)現(xiàn)較好的除冰效果。設(shè)置的限位導(dǎo)輪,可以避免除冰桿損傷高壓輸電線。除冰裝置通過滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)與機(jī)器人手臂活動(dòng)連接,設(shè)置的吸振彈簧和滑塊配合,可始終使限位導(dǎo)輪壓緊在高壓輸電線上,并可以吸收除冰桿敲擊除冰時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量,減小振動(dòng)對(duì)機(jī)器人其他部件的影響,遇到帶坡度的導(dǎo)線時(shí),還能實(shí)時(shí)調(diào)整除冰裝置相對(duì)手臂的高度,保證除冰效果。相對(duì)目前廣泛使用的直流熱力融冰技術(shù),具有除冰效果明顯、成本低、易操作的優(yōu)點(diǎn)。除冰裝置如圖7所示。

2.4機(jī)器人仿真分析我們通過仿真分析以驗(yàn)證機(jī)器人能越障的可行性。用Pro/E進(jìn)行三維建模,在ADAMS中按照預(yù)定的行走越障動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。這里以前臂跨越FR3型防震錘為例，機(jī)器人能否成功跨越防震錘有兩個(gè)指標(biāo),一是越障時(shí)前臂橫向(X軸)是否與防震錘發(fā)生碰撞;二是前臂縱向(Z軸)能否完全跨過防震錘。防震錘中心點(diǎn)坐標(biāo)為(-309,190,-669),由圖8可知越障時(shí)前臂中心距防震錘中心125mm,由于前臂最寬邊130mm,防震錘直徑57mm,故極限位置有31.5mm間隙,指標(biāo)一滿足;由圖9可知前臂跨越距離為440mm,完全可以跨越防震錘,指標(biāo)二滿足。綜上可知,除冰機(jī)器人能跨越障礙物。故機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,越障動(dòng)作規(guī)劃可行。

2.5機(jī)器人上下線裝置機(jī)器人順利上線安裝是進(jìn)行除冰作業(yè)的前提。機(jī)器人約45kg,檢修人員無法徒手?jǐn)y帶機(jī)器人安全上下線安裝,同時(shí)考慮到機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)能夠方便及時(shí)下線維修等要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了該上下線裝置,以解決除冰機(jī)器人的上下線安裝問題。上下線裝置包括固聯(lián)滑輪、吊籃、提升繩、防晃繩、配重塊等。固聯(lián)滑輪是用“Z”形鋼筋將兩個(gè)滑輪固接,防止相對(duì)移動(dòng)。在吊籃正下方添加配重塊,上下線安裝時(shí)可降低重心,更加平穩(wěn)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功效明顯。機(jī)器人上線動(dòng)作規(guī)劃如下:(1)將固聯(lián)滑輪在導(dǎo)線上安裝好,放下提升繩并系在吊籃上,同時(shí)在吊籃上系上防晃繩,將機(jī)器人前后手臂外轉(zhuǎn)180°并放入吊籃。(2)緩慢提升吊籃至行走輪高于導(dǎo)線,機(jī)器人手臂內(nèi)旋180°,使行走輪位于導(dǎo)線正上方。(3)緩慢放松提升繩讓行走輪自動(dòng)掛上導(dǎo)線,放下吊籃,線上人員適當(dāng)調(diào)整,保證機(jī)器人初始狀態(tài),卸下滑輪,完成除冰機(jī)器人的上線工作。機(jī)器人下線原理與上線一樣。采用上下線裝置安裝機(jī)器人,既方便快捷,又安全有效,是一種可行的除冰機(jī)器人上下線安裝方式。野外現(xiàn)場(chǎng)除冰機(jī)器人上下線安裝試驗(yàn)如圖12所示。

3控制系統(tǒng)

高壓輸電線路除冰機(jī)器人主要采用人機(jī)結(jié)合、局部智能的控制方式[10]。機(jī)器人在高壓輸電線路上除冰時(shí)可以在3種狀態(tài)下工作,即全手動(dòng)、單流程自動(dòng)以及多流程自動(dòng)。操作人員根據(jù)實(shí)際需要可通過遙控鍵盤進(jìn)行無間隙切換?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示,主要包括主控模塊(MCU2)、無線操作模塊(MCU1)、驅(qū)動(dòng)模塊、狀態(tài)信息反饋模塊等。機(jī)器人電源系統(tǒng)采用12V鋰電池供電,具有體積小、容量大、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1主控模塊主控模塊即主控制器模塊,本系統(tǒng)采用AVR系列單片機(jī)Mega128,原理圖如圖14所示,包括程序下載接口、復(fù)位電路、以及時(shí)鐘電路等。機(jī)器人主控模塊主要負(fù)責(zé)接收無線操作模塊發(fā)出的控制指令,根據(jù)除冰機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃,將處理后的新指令傳送給驅(qū)動(dòng)模塊來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種動(dòng)作。在主控制器得到發(fā)送過來的控制指令時(shí),首先對(duì)該指令進(jìn)行一次有效性判斷,如果得到的指令存在誤碼或亂碼,則舍棄該指令,以防止機(jī)器人發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作。主控制器程序可以實(shí)現(xiàn)單流程自動(dòng)、多流程自動(dòng)以及所有流程全手動(dòng)等工作模態(tài)無隙切換。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖15所示。

3.2無線操作模塊操作人員與機(jī)器人之間的通信全部由無線鍵盤發(fā)出,主要包括機(jī)器人工作方式選擇、電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)控制、故障急停等。為方便控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停止3種狀態(tài),本系統(tǒng)選用單刀三擲開關(guān),開關(guān)的每一個(gè)狀態(tài)分別與電機(jī)的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。由于每個(gè)按鍵有3個(gè)擋位,需要單片機(jī)的兩個(gè)I/O端口作為鍵值信息通道,系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了16個(gè)按鍵,另外加上無線發(fā)射的引腳,因此至少需要單片機(jī)有34個(gè)獨(dú)立引腳。系統(tǒng)選用AVR系列的單片機(jī)Mega128作為主控芯片,該芯片內(nèi)部含有豐富的硬件資源,能夠十分方便的與無線收發(fā)模塊APC220進(jìn)行通信。APC220模塊是高度集成的半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,其嵌入了高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼,抗干擾和靈敏度都大大提高,最大可以糾正24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤。與單片機(jī)的連接原理圖如圖16所示。為使無線鍵盤發(fā)射的性能更加穩(wěn)定,系統(tǒng)在鍵盤信息之前加上了一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)密碼,只有當(dāng)接受端得到了以該密碼開頭的信息才視為有效,否則機(jī)器人不接受該信息。實(shí)驗(yàn)表明,這種方法能讓機(jī)器人安全可靠的工作,有效地降低了控制出錯(cuò)率。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖17所示。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用Freescale公司的MC3386,該驅(qū)動(dòng)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),最大驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)6A,為得到更好的驅(qū)動(dòng)性能,本系統(tǒng)將每個(gè)芯片上的兩個(gè)通道并聯(lián)在一起去驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。使用該芯片可以方便地進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)和剎車等控制,同時(shí)也可以使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,機(jī)器人前后臂的升降旋轉(zhuǎn)就運(yùn)用了PWM進(jìn)行調(diào)速。每個(gè)芯片使用單片機(jī)的兩個(gè)I/O端口進(jìn)行操作,實(shí)驗(yàn)表明使用MC33886作為除冰機(jī)器人的動(dòng)力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能夠完成機(jī)器人的各種動(dòng)作,性能良好。

3.4狀態(tài)信息反饋模塊當(dāng)機(jī)器人在高空的高壓輸電線路上作業(yè)時(shí),人眼無法看清楚,而機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作必須在掌控中,因此機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作是否完成必須有明確的反饋信息。本系統(tǒng)采用金屬接近開關(guān)作為機(jī)器人行程信息反饋的傳感器,當(dāng)有金屬靠近接近開關(guān)約2~3mm時(shí),在電路作用下(圖19),接近開關(guān)便向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào),當(dāng)在其接觸頭2~3mm范圍內(nèi)沒有金屬時(shí),接近開關(guān)向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)。TLP521是一個(gè)光耦合器件,使用該芯片的作用有兩個(gè):一是將12V的高電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠讀取的3~5V;二是起到光電隔離的作用,防止電機(jī)工作時(shí)對(duì)單片機(jī)的正常工作產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)效果表明,使用接近開關(guān)作為機(jī)器人狀態(tài)反饋傳感器能夠準(zhǔn)確的監(jiān)控機(jī)器人的動(dòng)作流程,為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)除冰和越障提供了準(zhǔn)確的反饋信息。

4結(jié)論

篇4

關(guān)鍵詞：自閉癥兒童；陪護(hù)機(jī)器人；情感特征；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

檢 索：.cn

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-2832（2016）10-0116-03

Research on the Companion Robot Based on the Emotional Characteristics of the Autistic Children

ZHAO Fang-hua， YANG Xi， ZHANG Wei-wei， LI Hao（School of Architecture&Art Design of Hebei University of Technology，Tianjin 300401，china）

Abstract ：Autistic children lack ability about getting along with people and learning actively ， while the products for this group are more important increasingly. The companion robot， whit the intelligent design， provides a good communication method for the autistic children. This paper analyzes the existing basic characteristics of the companion robot， and studies the emotional characteristics and needs of the children with autism， designs a companion robot with the color， shape， and the pattern of interaction， in order to improve the users’experience， then， makes a proposal for the design of the products the are used by the children with autism.

Key words ：children with autism； companion robot； emotional characteristics； product design

Internet ：.cn

一、前言

近年來，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于自閉癥陪護(hù)機(jī)器人進(jìn)行了不同方面的研究探析，機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用為自閉癥兒童社交技能的訓(xùn)練提供了新的研究方向，陪護(hù)機(jī)器人對(duì)于促進(jìn)自閉癥兒童的恢復(fù)治療變得越來越重要。全球現(xiàn)有孤獨(dú)癥患者3500萬，其中40%是兒童，中國(guó)孤獨(dú)癥患兒數(shù)達(dá)100多萬，且呈逐年上升趨勢(shì)。隨著該群體的數(shù)量逐年增加，他們的特殊要求也逐漸凸顯出來，對(duì)自閉癥兒童陪護(hù)產(chǎn)品的相關(guān)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。陪護(hù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)過程中，需關(guān)注自閉癥兒童的情感特征、喜好傾向和心理需求，根據(jù)這些情感要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過產(chǎn)品外觀的色彩、造型、產(chǎn)品的功能以及交互方面營(yíng)造良好的氛圍，使患兒產(chǎn)生親切、輕松、愉悅、依賴等不同的心理情緒，并且要避免產(chǎn)品的色彩、造型給患兒帶來失落、抑郁等負(fù)面的心理。使產(chǎn)品能夠促進(jìn)患兒注意力集中，激發(fā)患兒參與的興趣，全面提升產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。

二、自閉癥兒童陪護(hù)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例

國(guó)外應(yīng)用于實(shí)踐的機(jī)器人實(shí)例證實(shí)陪護(hù)機(jī)器人對(duì)于自閉癥兒童治療恢復(fù)起到有效的作用，大大改善其行為結(jié)果。目前較有代表性的自閉癥陪護(hù)機(jī)器人有3款。

第一，Nao是一款功能豐富的人形機(jī)器人，可以擬人講話、做出動(dòng)作，并且可以識(shí)別出人的面部和語音，為自閉癥兒童克服社交障礙提供了幫助。（圖1）

第二，Milo機(jī)器人通過語音、動(dòng)作可以與自閉癥兒童產(chǎn)生交流互動(dòng)，造型擬人可愛，可提供給患兒一定的社會(huì)互動(dòng)過程，培養(yǎng)其正常的溝通能力。自閉癥兒童通過使用Milo機(jī)器人，有利于其順利地掌握溝通技能。（圖2）

第三，Leka是一個(gè)能夠移動(dòng)的球形機(jī)器人?；純嚎梢栽跓o人看護(hù)下單獨(dú)與 Leka玩耍。Leka具有聲、光、震動(dòng)等功能，促進(jìn)培養(yǎng)患兒對(duì)四周圍的感知能力，使其得以發(fā)展良好的社交技能。（圖3）

以上3款產(chǎn)品各具特色，其共同點(diǎn)是造型及行為方式親和、擬人化，都具備語音、圖畫交流顯示的載體，且肢體設(shè)計(jì)都能與患兒產(chǎn)生良好的互動(dòng)，幫助患兒取得更好的療效。以此做借鑒，引入設(shè)計(jì)實(shí)例中，并對(duì)產(chǎn)品的色彩選擇、造型及動(dòng)作交互作出更為詳盡的設(shè)計(jì)。

三、自閉癥兒童情感特征研究

為使陪護(hù)機(jī)器人能夠?yàn)樽蚤]癥兒童帶來親切、輕松、愉悅的感覺，營(yíng)造適宜、富有安全感的環(huán)境氛圍，從以下幾點(diǎn)情感特征分析出發(fā)，為設(shè)計(jì)增添有利依據(jù)。

（一）感知覺障礙：一些自閉癥兒童對(duì)光、噪音、觸覺或痛覺等感覺刺激反應(yīng)特殊，有些表現(xiàn)為過度遲鈍，有些則反應(yīng)過度敏感。因此機(jī)器人的色彩、造型需選用處于中等程度的設(shè)計(jì)元素，避免極端反應(yīng)。色彩設(shè)計(jì)中可以通過研究自閉癥兒童的色彩偏好應(yīng)用到產(chǎn)品中，造型應(yīng)選擇簡(jiǎn)潔、輕松的體態(tài)，以滿足自閉癥兒童的情感需求，促進(jìn)其治療效果。

（二）社會(huì)交往障礙：自閉癥兒童難以對(duì)父母或其他親人產(chǎn)生依戀感，也不能建立伙伴關(guān)系，導(dǎo)致感情和社會(huì)互動(dòng)方面困難，不能與人產(chǎn)生正常的溝通互動(dòng)。因此針對(duì)該人群的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要加入圖片交換溝通系統(tǒng)的應(yīng)用模塊，以幫助自閉癥兒童更好地掌握溝通技能。

（三）興趣和行為異常：自閉癥兒童很少主動(dòng)追求事物，難有興趣愛好；有些自閉癥兒童伴有自傷行為，甚至傷害他人，這種行為伴有持續(xù)性，需要來自家庭和看護(hù)者的持續(xù)照料。因此陪護(hù)機(jī)器人的造型設(shè)計(jì)上應(yīng)注重其陪伴性、親和性，增強(qiáng)一定的安全感氛圍。

四、設(shè)計(jì)實(shí)例

通過實(shí)例及情感特征分析，明確了設(shè)計(jì)構(gòu)思的方向：一款適合自閉癥兒童情感特征的陪護(hù)機(jī)器人。將該群體特殊的色彩偏好以及其情感特征、精神需求融入到設(shè)計(jì)的色彩選擇及造型呈現(xiàn)中，探討其在自閉癥兒童陪護(hù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的思路和方法。

（一）以改善感知覺障礙為目的的配色選擇

色彩對(duì)大腦產(chǎn)生重要影響，對(duì)自閉癥兒童的認(rèn)知活動(dòng)發(fā)揮著強(qiáng)有力的作用，首次正式研究自閉癥群體顏色感知的美國(guó)研究者Ludlow發(fā)現(xiàn)，如果用顏色（藍(lán)色和紫色等）鏡片覆蓋文本將提高自閉癥兒童的閱讀速度高達(dá)13%。國(guó)內(nèi)曹漱芹等人采用對(duì)偶比較法針對(duì)4-6.5歲漢語自閉癥幼兒進(jìn)行的顏色偏好研究中，發(fā)現(xiàn)自閉癥幼兒在總體上偏好冷色，其顏色偏好的順序?yàn)椋壕G、藍(lán)、紅、紫、橙、黃，其顏色偏好順序顯著不同于普通幼兒。

基于以上色彩偏好研究結(jié)果，結(jié)合患兒情感特征分析，機(jī)器人應(yīng)盡量避免過于艷麗、強(qiáng)烈的色彩，亦不能色彩過于單調(diào)，呆板。其色彩設(shè)計(jì)在視覺、心理因素上要充分滿足患兒的特定需求，尋找有利于患兒身心發(fā)展的色彩，達(dá)到舒適、明快、整體的形象呈現(xiàn)。如此提高患兒的對(duì)機(jī)器人的色彩敏感度，使其感知覺障礙得以改善。該設(shè)計(jì)實(shí)例中，為符合自閉癥兒童色彩偏好，選用低明度的藍(lán)色、綠色和粉色與銀白色搭配，簡(jiǎn)潔明快，色調(diào)偏冷，使患兒得以舒適的視覺體驗(yàn)。（圖4）

（二）以改善社會(huì)交往障礙、興趣和行為異常為目的的造型設(shè)計(jì)

為了改善自閉癥兒童的社會(huì)交往障礙、興趣和行為異常這些情感特征上的缺陷，那么在造型設(shè)計(jì)上應(yīng)充分滿足自閉癥兒童的精神需求，提升機(jī)器人的形象吸引力和象征意義，以產(chǎn)生良好的交流互動(dòng)。從機(jī)器人形象呈現(xiàn)、圖片語音及動(dòng)作的交互方式這三個(gè)方面對(duì)造型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.造型簡(jiǎn)潔親和化

有研究表示，自閉癥患兒之所以不愿意與外界交流，其中一個(gè)原因在于難以識(shí)別人類復(fù)雜的行為表情。但機(jī)器人沒有太復(fù)雜的面部表情，自閉癥兒童面對(duì)機(jī)器比面對(duì)人群時(shí)反應(yīng)更為自然。因此，頭部也采用簡(jiǎn)潔的形態(tài)并加以微笑的可愛表情，整體簡(jiǎn)化了機(jī)器人體態(tài)上的裝飾，下身采用滾輪式移動(dòng)方式，亦可降低制作成本，為自閉癥兒童群體設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出友好、親和、簡(jiǎn)潔整體的小伙伴形象，以促進(jìn)自閉癥兒童更順利地與機(jī)器人互動(dòng)，逐步培養(yǎng)鍛煉其溝通交流能力，該機(jī)器人造型方案如圖5所示。

2.加強(qiáng)溝通互動(dòng)能力的屏幕設(shè)計(jì)

根據(jù)2014年1月美國(guó)公布的《自閉癥兒童、青少年的以循證為基礎(chǔ)的實(shí)踐》這一報(bào)告，圖片交換溝通系統(tǒng)被列為有實(shí)證證實(shí)的、有效的循證實(shí)踐之一。自閉癥兒童在圖片提示條件下對(duì)情緒的認(rèn)知優(yōu)于在語言提示條件下對(duì)情緒的認(rèn)知，表明圖片可以幫助他們理解情緒。因此設(shè)定陪護(hù)機(jī) 器人胸前的屏幕用來實(shí)施圖片交換溝通系統(tǒng)，通過圖片、視 覺符號(hào)和自然語言的刺激來幫助自閉癥兒童更好地掌握溝通的技能，改善其社會(huì)交往障礙。

3.動(dòng)作交互日?；?/p>

由于自閉癥兒童面對(duì)機(jī)器人更為自然直接，陪護(hù)機(jī)器人的肢體動(dòng)作設(shè)計(jì)盡量地滿足動(dòng)作種類豐富、能順利地完成擁抱、手勢(shì)舞蹈、舉手等常見社交互動(dòng)動(dòng)作，為自閉癥兒童帶來情感關(guān)懷的同時(shí)，目的是培養(yǎng)促進(jìn)自閉癥兒童能在日常生活中與周圍進(jìn)行正常的社交互動(dòng)，充分地改善其興趣和行為上的異常，擴(kuò)展患兒的情感世界及興趣范圍。

五、總結(jié)

自閉癥兒童陪護(hù)機(jī)器人作為一種工業(yè)性產(chǎn)品，情感因素的考慮應(yīng)作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，方案中陪護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)從自閉癥兒童的情感特征出發(fā)，并結(jié)合自閉癥兒童的色彩、造型偏好需求設(shè)計(jì)了新的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中除了對(duì)機(jī)器人的色彩、造型上的考慮，還應(yīng)該對(duì)其材質(zhì)、動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的方式以及用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，開發(fā)出更加完善、科學(xué)的自閉癥兒童陪護(hù)機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王輝.自閉癥兒童的心理行為特征及診斷與評(píng)估[J].現(xiàn)代特殊教育，2007（8）.

篇5

本文通過研究仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程規(guī)劃以及伺服電機(jī)控制的基本原理和方法, 給出了Biped型機(jī)器人設(shè)計(jì)的整體方案。所述的機(jī)器人采用基于STC89C52單片機(jī)的高精度伺服控制系統(tǒng)，減少了傳統(tǒng)控制方法不穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)精度的影響。同時(shí)，選用了TR213高精度伺服電機(jī)，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中協(xié)調(diào)、平穩(wěn)。并通過單自由度調(diào)試、多自由度調(diào)試、運(yùn)動(dòng)過程規(guī)劃等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制方法真正地實(shí)現(xiàn)了Biped型機(jī)器人控制的高精度、高穩(wěn)定性和智能化。 

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

根據(jù)仿人機(jī)器人的行走、前進(jìn)、后退、重心偏移和上下樓梯等運(yùn)動(dòng)過程要求，Biped型機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、高精度伺服電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。 

由于人體為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到仿人運(yùn)動(dòng)的目的，Biped型機(jī)器人也采用相同的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。 

以機(jī)器人行走過程中的右腿向前移動(dòng)過程為例，在此過程中包括重心左移，右腿抬起前移，右腿放下和重心恢復(fù)四個(gè)階段。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)作要求，機(jī)器人需要踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)6個(gè)自由度配合完成，其各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍如表1所示。從表中可以看出，踝關(guān)節(jié)1、2可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)完成整體結(jié)構(gòu)重心沿y軸方向的移動(dòng)控制，保持機(jī)器人在動(dòng)作過程中的重心穩(wěn)定；膝關(guān)節(jié)3、4和髖關(guān)節(jié)5、6通過配合轉(zhuǎn)動(dòng)改變機(jī)器人沿z軸方向的雙腳高度以及雙腳沿x軸方向的前后位置控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作要求；另外，雙足機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍都大于人類各個(gè)關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)范圍，可以滿足模仿人類動(dòng)作的關(guān)節(jié)角度范圍要求。 

2 高精度伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制 

Biped型機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的位置采用TR213高精度伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，并由STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生周期為20ms，脈寬為0.5ms-2.5ms的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，該脈沖寬度與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度成正比，通過不同的脈沖輸入寬度可精確地控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其驅(qū)動(dòng)分辨率達(dá)到1μs，角度分辨率可達(dá)0.09°，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制原理如圖2所示。 

位于伺服電機(jī)內(nèi)部的齒輪組將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大倍數(shù)后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度，其內(nèi)部電路如圖3所示。 

PWM信號(hào)進(jìn)入信號(hào)解調(diào)芯片BA6688后將產(chǎn)生直流偏置電壓信號(hào)，該信號(hào)和芯片內(nèi)部5K電位器所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，將得到的脈沖進(jìn)行展寬后輸入至芯片BAL6686，芯片根據(jù)展寬后的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過程中，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)電位器發(fā)生變化從而改變電壓差的大小，直到壓差為0時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，解調(diào)后的直流偏置電壓通過與在電位器上得到反饋電壓進(jìn)行比較可得到正負(fù)電壓差，BA6688將該電壓差輸送的PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路BAL6686以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)。疊加在5K電位器上的另外一個(gè)信號(hào)Motor Back EMF信號(hào)將會(huì)使伺服電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，通過和給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較可以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制機(jī)器人的動(dòng)作速度。 

3 伺服控制系統(tǒng) 

Biped型機(jī)器人的伺服電機(jī)控制主要是通過STC89C52單片機(jī)所產(chǎn)生的PWM信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。由555定時(shí)器組成的振蕩器作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，通過對(duì)其產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，并由I/O口進(jìn)行多路輸出，輸出后的信號(hào)經(jīng)過整形處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，以提高機(jī)器人動(dòng)作的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，STC89C52單片機(jī)上的FLASH為程序存儲(chǔ)提供了足夠的空間，還可以使用其串口和在線燒錄功能與上位機(jī)進(jìn)行通信來完成對(duì)多路伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。 

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 

為了使Biped型機(jī)器人具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，在設(shè)計(jì)中采用具有較大輸出扭矩的TR213伺服電機(jī)，該電機(jī)的供電電壓為4.8-7.2V，最大輸出扭矩為13kg·cm，當(dāng)其空載時(shí)電流很小，可以忽略不計(jì)，但當(dāng)其動(dòng)態(tài)負(fù)荷扭矩達(dá)到最大時(shí)驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2A，但由于Biped型機(jī)器人的6個(gè)自由度一般不會(huì)全部同時(shí)工作在最大負(fù)荷狀態(tài)下，根據(jù)測(cè)試表明，在正常情況下每個(gè)伺服電機(jī)的電流小于0.5A，因此，采用電流為10A的直流穩(wěn)壓電源為其供電，即可滿足其驅(qū)動(dòng)要求。伺服電機(jī)控制電路與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用分開供電模式，由7805穩(wěn)壓芯片為其提供穩(wěn)定電壓，以減小伺服電機(jī)電壓波動(dòng)對(duì)其造成的干擾，來提高控制精度。 

結(jié)語 

理論與實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的Biped型機(jī)器人具有控制精度高、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過高精度伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)有效地減少了系統(tǒng)不穩(wěn)定性對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程造成的影響，為仿人機(jī)器人的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了一種比較理想的方法與解決方案。 

參考文獻(xiàn) 

[1] 史耀強(qiáng).雙足機(jī)器人步行仿真與實(shí)驗(yàn)研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2008. 

篇6

【摘要】為了提高機(jī)器魚研發(fā)的靈活性，在此提出一種基于FPGA的自主視覺機(jī)器魚設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案借助FPGA技術(shù)處理紅外傳感器返回的數(shù)據(jù)信息，并利用FPGA具有的并行性、高速性、靈活性等特點(diǎn)精準(zhǔn)地控制舵機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。該設(shè)計(jì)方案有很高的可行性，相比之下有更好的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度。

 

【關(guān)鍵詞】FPGA；機(jī)器魚；紅外傳感器；自主視覺

隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)和控制科學(xué)的不斷融合與發(fā)展，仿生機(jī)器魚的研制成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。同時(shí)，隨著對(duì)于仿生機(jī)器魚的研究日益進(jìn)步，機(jī)器魚所賦予的任務(wù)也隨之增多，對(duì)于機(jī)器魚核心芯片的處理速度的要求也越來越高。而以往的機(jī)器魚對(duì)芯片的處理速度與精度要求并不高，使得機(jī)器魚的執(zhí)行動(dòng)作并不盡如人意，由此在機(jī)器魚中應(yīng)用具有并行性、高速性、靈活性的FPGA芯片已經(jīng)成為必然，它也必將使得機(jī)器魚的研究更上一層樓。

 

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件框圖如圖1，系統(tǒng)采用FPGA芯片為控制處理中心，紅外傳感器模塊負(fù)責(zé)傳回前方的通道信息，信息數(shù)據(jù)由FPGA芯片接收后，輸出PWM波控制舵機(jī)做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。整個(gè)魚體分為動(dòng)作部分和魚頭，動(dòng)作部分由三個(gè)舵機(jī)（兩個(gè)大舵機(jī)、一個(gè)小舵機(jī)）組成，魚頭主要是控制芯片、通信模塊和電池電源部分組成。

 

1.1 FPGA模塊

本方案使用的Altera公司的芯片EP1-C3T144c8，其系統(tǒng)集成度高，可操作性強(qiáng)，低功耗，十分適合機(jī)器魚這類小型機(jī)器魚的運(yùn)作。利用其公司的開發(fā)軟件quartus II及其輔助開發(fā)軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、處理、編碼功能。在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA芯片作為主控部分，負(fù)責(zé)紅外傳感器信息接收、通信模塊的信息接收發(fā)送、舵機(jī)控制任務(wù)，如圖2所示。

 

1.2 紅外傳感器模塊

紅外傳感器是遠(yuǎn)距離紅外傳感器PIR D205B，它是利用材料自發(fā)極化隨溫度變化的特征來探測(cè)紅外線的輻射，采用四靈敏元設(shè)計(jì)，抑制環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了信號(hào)輸出強(qiáng)度，增加了多方向靈敏度，兼有單元和雙元熱釋電紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)，傳感器的工作更加穩(wěn)定。

 

1.3 通信模塊、電源模塊

作為在水下獨(dú)立運(yùn)作的平臺(tái)，電源和通信是十分重要的。通信采用nRF2401 2.4GHz無線收發(fā)芯片完成視頻數(shù)據(jù)及命令信息的無線傳輸。nRF2401是一款單片射頻收發(fā)芯片，工作在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，該芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶振和調(diào)制解調(diào)器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數(shù)都可以通過程序進(jìn)行配置?？紤]到系統(tǒng)的電源要求以及電池的可重復(fù)性利用，選擇用四節(jié)可充電電池作為電源模塊。選擇的類型是三洋愛樂普五號(hào)低放電充電池。

 

1.4 舵機(jī)模塊

機(jī)器魚舵機(jī)組是由三個(gè)舵機(jī)構(gòu)成，分別采用futaba公司的futaba S3102（一號(hào)舵機(jī)）及futaba S3003（二號(hào)，三號(hào)舵機(jī)）。以魚體波函數(shù)為核心算法的機(jī)器魚魚體，在三個(gè)舵機(jī)的運(yùn)作下完成相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的游動(dòng)。其中，F(xiàn)PGA通過所執(zhí)行的程序計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以此產(chǎn)生十五位的不同占空比的PWM波，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，繼而控制“魚體”擺動(dòng)[3]。

 

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件體系的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)研制的核心內(nèi)容。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

2.1 紅外模塊

如圖4所示，紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理后，通過數(shù)字傳感接口返回到機(jī)器魚主機(jī)機(jī)器魚即可利用紅外的返回信號(hào)來識(shí)別周圍環(huán)境的變化。

 

2.2 舵機(jī)模塊

標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線：電源線、地線和控制線，電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的電機(jī)和控制電路需要的能源。而控制線輸入的是一個(gè)可調(diào)制的方波脈沖信號(hào)，一般周期在20ms（即頻率為50Hz）。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。兩者關(guān)系可如圖5所示。

 

3.結(jié)束語

本文介紹了基于紅外傳感器與FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的一種具有自主運(yùn)動(dòng)能力的仿生機(jī)器魚。其通過紅外傳感技術(shù)使機(jī)器魚具有了自主視覺功能，又通過FPGA技術(shù)精準(zhǔn)輸出PWM波，提高了機(jī)器魚的智能度與動(dòng)作靈活度。此設(shè)計(jì)為后續(xù)自主機(jī)器魚的開發(fā)提供了一定的幫助，相信隨著機(jī)器魚的開發(fā)加深，機(jī)器魚的研究與設(shè)計(jì)會(huì)更加智能化，功能也會(huì)越來越完備，并會(huì)為人類探索、發(fā)現(xiàn)海洋提供更多的幫助與便利。

 

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

篇7

P鍵詞：樹莓派；Arduino；人臉識(shí)別；WiFi

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.197

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

移動(dòng)式家庭服務(wù)機(jī)器人由樹莓派做中央處理器，Arduino mega2560為輔助控制單元，樹莓派主控臉部識(shí)別、OLED顯示、語音交互模塊、聲音功放模塊；Arduino mega2560負(fù)責(zé)六自由度機(jī)械手、溫濕度和有害氣體檢測(cè)、掃地機(jī)器人和麥克拉姆輪底盤控制，Arduino mega2560將采集到的控制信息送給樹莓派，完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制。通過樹莓派控制藍(lán)牙模塊和WIFI模塊，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)以樹莓派中央處理器和Arduino芯片為數(shù)據(jù)處理和控制核心，采用藍(lán)牙通信，WiFi通信和手機(jī)APP遠(yuǎn)程通信來控制，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔室內(nèi)衛(wèi)生，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，巡視室內(nèi)安全情況以及實(shí)現(xiàn)語音控制、語音交流、人臉識(shí)別與追蹤等功能；通過樹莓派強(qiáng)大的網(wǎng)路功能通過互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣、交通路況資訊等，并且通過喇叭把獲取的咨詢信息進(jìn)行實(shí)時(shí)語音播報(bào)，以便提醒人們的穿衣指數(shù)和交通路況；同時(shí)還具有自主巡航的功能，機(jī)器人通過麥克拉姆輪和光電編碼電機(jī)配合實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能，利用攝像頭即可通過面部識(shí)別、安防監(jiān)控，可以將識(shí)別的人臉信息通過微信、app、網(wǎng)頁實(shí)時(shí)反饋給用戶。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

語音識(shí)別采用的語音控制模塊，能夠相對(duì)精準(zhǔn)識(shí)別人的語音，將聲音信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入樹莓派中央處理器進(jìn)行識(shí)別來完成相應(yīng)的功能； 人臉識(shí)別模塊采用高清攝像頭采集圖像信息，將采集到的信息送入樹莓派來完成人臉識(shí)別和跟蹤功能，同時(shí)將圖像信息通過網(wǎng)絡(luò)送到用戶的手機(jī)app上顯示或在網(wǎng)頁上顯示，同時(shí)可以將采集到的圖像信息存儲(chǔ)在內(nèi)存卡上，方便用戶在需要的時(shí)候查詢。

底盤采用Arduino mega2560控制光電編碼電機(jī)來驅(qū)動(dòng)麥克拉姆輪來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，可以前進(jìn)、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)方式，非常適合在空間有限的室內(nèi)移動(dòng)，通過樹莓派發(fā)送的語音指令實(shí)現(xiàn)可以自主巡視運(yùn)動(dòng)，也可采用藍(lán)牙APP來操作其運(yùn)行。

OLED來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的臉部表情，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和卡通化的設(shè)計(jì)，在語音互動(dòng)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)表情的變化，以便能更好的獲得用戶的喜愛和認(rèn)可。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要采用Liunx嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)綜合控制，采用多任務(wù)操作模式，程序模塊主要包括主程序、人臉識(shí)別和跟蹤子程序、語音識(shí)別子程序、機(jī)械手和底盤運(yùn)動(dòng)子程序及溫濕度和有害氣體檢測(cè)子程序。主程序流程圖如圖2所示，人臉識(shí)別和跟蹤子程序流程圖如圖3所示。

參考文獻(xiàn)：

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篇8

【關(guān)鍵詞】人性化 設(shè)計(jì) 家用機(jī)器人

從小看機(jī)器人科幻電影，玩變形金剛，參加汽車模型制做和看機(jī)器人大賽，對(duì)機(jī)器人制作的強(qiáng)烈興趣和熱愛早已植入我內(nèi)心。加之家用機(jī)器人設(shè)計(jì)屬于服務(wù)現(xiàn)代及未來家庭生活的重要項(xiàng)目，逐漸與人之間形成一種十分密切的關(guān)系，所以探討人性化引導(dǎo)下的家用機(jī)器人設(shè)計(jì)十分必要。

一、機(jī)器人概述

在汽車、核工業(yè)、采礦、石化等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，較常使用機(jī)器人進(jìn)行部分或全部的操作。通常機(jī)器人設(shè)計(jì)包括機(jī)械手、控制機(jī)構(gòu)、作業(yè)對(duì)象、使用環(huán)境。隨著對(duì)機(jī)器人功能要求的增多，其已經(jīng)由純粹的機(jī)械手臂、鏈桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾螒B(tài)多樣且運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)的可行走機(jī)器人。工業(yè)、軍用機(jī)器人造型簡(jiǎn)單，類似于交通工具以及機(jī)器，特種機(jī)器人則造型多樣，例如，醫(yī)用口腔手術(shù)機(jī)器人類似于人的手臂，隨著科技的發(fā)展，其功能越來越多，設(shè)計(jì)越來越豐富。未來機(jī)器人涉及機(jī)械、電子，是我們所學(xué)的物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用，是機(jī)械、電子、控制、檢測(cè)、通信和計(jì)算機(jī)知識(shí)的優(yōu)化結(jié)合，所以機(jī)器人市場(chǎng)有充分的發(fā)展空間。

二、家用機(jī)器人

（一）分類

在科技發(fā)展過程中各種服務(wù)型機(jī)器人應(yīng)用而生，成為人們家庭生活的重要組成部分，并以其多樣化的服務(wù)改變著人們的生活工作方式。其中仿動(dòng)物型、仿人型、類人型、仿植物型都是家用機(jī)器人的主要類型。

（二）存在問題

與工業(yè)用機(jī)器人相比，家用機(jī)器人在功能定義、范圍上都有著自身的特點(diǎn)，方便、服務(wù)人類家庭生活是其主要目的，按其功能可以分為清潔型、家電管理型、看護(hù)照顧型、家用娛樂型、安全警衛(wèi)型等，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其功能以及怎樣使其明白、接受、執(zhí)行人類命令等進(jìn)行有效考慮。

家用機(jī)器人的造型仍然沒有將親和力凸顯出來，會(huì)使人產(chǎn)生一種冷漠的感覺，所以在對(duì)家用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要有效了解人的心理接受程度以及各方面的喜好。

家用機(jī)器人在本質(zhì)上是一種人造機(jī)器，所選擇的材料也大多為工業(yè)以及軍用的金屬、塑料材料。而其所使用的金屬材料會(huì)給人一種冰冷的感覺，塑料會(huì)給人一種木訥的感覺，所以在親和力方面會(huì)有一種欠缺。

三、人性化引導(dǎo)下家用機(jī)器人設(shè)計(jì)

在滿足物質(zhì)需求的前提下，重視精神以及情感需要是人性化設(shè)計(jì)所追求的，以人為中心是其核心，即人是其設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)該考慮的第一要素。人性化追求產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趣味和娛樂性，滿足人們幽默、愉悅的心理需求，追求深入人心的設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于殘疾人傾注了更多的熱情，同時(shí)也追求與人體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的造型形式。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)是科學(xué)與藝術(shù)以及技術(shù)與人性的有效結(jié)合，在科技的支撐下，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、性能較為良好，在藝術(shù)和人性的支撐下，設(shè)計(jì)的美感不斷增強(qiáng)。家用機(jī)器人屬于高科技發(fā)展的產(chǎn)物，其小型化、行動(dòng)敏捷化、輕巧化等都離不開人性化的引導(dǎo)。在人性化指導(dǎo)下，家用機(jī)器人設(shè)計(jì)可以通過以下方式進(jìn)行。首先利用形式要素的變化，例如色彩、裝飾、造型、材料等，使人們產(chǎn)生一種積極的情感體驗(yàn)和心理感受。其中在色彩上，要使其在體現(xiàn)機(jī)器人高科技時(shí)代感的同時(shí)將家用親和性有效體現(xiàn)出來。冷暖要合理搭配，黑白灰也要協(xié)調(diào)應(yīng)用，對(duì)此，可以有效參考日本、韓國(guó)等的家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)，例如圖1中，在仿人型的造型設(shè)計(jì)中，使人有一種愉悅的感受。在造型設(shè)計(jì)上，通?？梢杂行н\(yùn)用仿動(dòng)物、仿植物等自然要素，賦予人們一種親切感，從而避免出現(xiàn)排斥純機(jī)器的現(xiàn)象。其可愛的形態(tài)，會(huì)使人們較為容易接受。在材質(zhì)上，最好使用質(zhì)感和視覺感染力都較強(qiáng)的材料，要通過自然材料的運(yùn)用和調(diào)整使其更具自然情趣，在情感上擁有共鳴。其次要在功能開發(fā)過程中使人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，操作宜人化，從而適應(yīng)于人們的生理和精神需求。通過對(duì)家用機(jī)器人功能的有效拓展，家務(wù)清潔、家庭看護(hù)、休閑娛樂等功能都得以實(shí)現(xiàn)，操作也更加方便。再次可以在家用機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，有效運(yùn)用更多語義符號(hào)、界面、以及標(biāo)識(shí)的形象化和規(guī)范化，使得效率得以提升，并將親切溫馨的感覺以及人道主義真情都有效凸顯出來，這樣可以使操作錯(cuò)誤有效避免。除此之外，在人性化引導(dǎo)下，針對(duì)殘疾人的家用機(jī)器人設(shè)計(jì)，也將以人為本的原則有效體現(xiàn)出來。例如在德國(guó)，設(shè)計(jì)的家用機(jī)器人，可以方便盲人進(jìn)行有效閱讀，這種家用機(jī)器人其外形小巧輕便，只要用手拿著即可閱讀，可以有效防止心理障礙的出現(xiàn)。

中國(guó)逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，所以居家養(yǎng)老也很需要開發(fā)家庭機(jī)器人服務(wù)。為了使其更好地服務(wù)老年人，在設(shè)計(jì)過程中，首先確保其智能化，即擁有監(jiān)督、提醒老年人做一些事情的功能，其次為了使老年人對(duì)其產(chǎn)生一種親切感，最好設(shè)計(jì)成仿人型的，最后為了避免家庭信息的外泄、經(jīng)常出現(xiàn)故障等情境的出現(xiàn)，使且擁有必要的使用期限，要確保其安全、可靠性。

說：人民對(duì)美好生活的向往是我們的奮斗目標(biāo)，機(jī)器人會(huì)帶給人們更美好的未來，智能家用機(jī)器人發(fā)展前景無限廣闊，靠我們新的一代努力學(xué)習(xí)拼搏奮斗，我們年輕人要?jiǎng)?chuàng)造更輝煌的世界。因此依據(jù)人性化原則進(jìn)行家用機(jī)器人設(shè)計(jì)十分必要。

四、結(jié)語

好的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中也十分注重人與人、人與產(chǎn)品關(guān)系以及人的生活方式的設(shè)計(jì)，人、機(jī)、環(huán)境、社會(huì)的互促共生關(guān)系已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，家用機(jī)器人的設(shè)計(jì)要充分尊重人性化原則，而我們有責(zé)任不斷探索科學(xué)知識(shí)，研究發(fā)展高端機(jī)器人技術(shù)，為家用服務(wù)。

篇9

關(guān)鍵詞：服務(wù)；機(jī)器人；控制；科技

1.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技水平的提高，機(jī)器人逐漸的走進(jìn)我們的生活。生活中服務(wù)機(jī)器人備受人們喜愛。工廠巡檢機(jī)器人的面孔，餐廳有送餐機(jī)器人，并且在一些大型的場(chǎng)所（商場(chǎng)、酒店、會(huì)所）也可以看到服務(wù)機(jī)器人的身影。服務(wù)型機(jī)器人在當(dāng)前的社會(huì)是備受歡迎的。在互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代下，機(jī)器人也可以受網(wǎng)絡(luò)的控制進(jìn)而提升它的功能，因此本文提出基于網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人設(shè)計(jì)思想。

2.總體方案的設(shè)計(jì)

本文提出利用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制操作。其具有兩種控制模式：一種是利用上位機(jī)的控制通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，另一種是利用語音模塊通過語音識(shí)別算法來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。而機(jī)器人的整體架構(gòu)是基于總線控制思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

該控制系統(tǒng)架構(gòu)采用設(shè)備、信息、控制三層總線控制模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，并利用相關(guān)的控制協(xié)議，分類、分級(jí)處理各種信息，滿足模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能配置需求。

3.系統(tǒng)控制的基本原理

利用Labview上位機(jī)運(yùn)用TCP/IP協(xié)議，通過局域網(wǎng)與主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主芯片通過485的通訊協(xié)議對(duì)子芯片通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。機(jī)器人還可以檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境信息，如溫度、濕度等，并通過語音播報(bào)或直觀的顯示在該界面上。通過上位機(jī)的語音輸入窗口，可以輸入文字，并發(fā)送給機(jī)器人系統(tǒng)，使得機(jī)器人在緊急情況下可以通過控制人員的控制而說出相應(yīng)的語句。在上位機(jī)的界面上有測(cè)試數(shù)據(jù)的輸出窗口，可以得到下位機(jī)對(duì)上位機(jī)測(cè)試結(jié)果的反饋。

4.系統(tǒng)的軟硬件組成

4.1硬件組成

系統(tǒng)供電是利用12V電源通過穩(wěn)壓芯片LM7805轉(zhuǎn)換為5V電源供電使用。按照DC/DC變換的原理來設(shè)計(jì)電路，其電路圖如圖3所示。

4.2軟件組成

根據(jù)機(jī)器人控制原理，軟件系統(tǒng)主要由主程序、語音辨識(shí)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器程序四部分組成。主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括I/O口的輸入或輸出設(shè)定，語音辨識(shí)運(yùn)行進(jìn)行語音算法處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，傳感部分負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)測(cè)量。

4.3語音識(shí)別算法

語音辨識(shí)算法是本設(shè)計(jì)的核心部分，通過對(duì)語音算法的改進(jìn)，本機(jī)器人系統(tǒng)在人機(jī)交互功能上有明顯提升，更適合服務(wù)環(huán)境的應(yīng)用。以下對(duì)機(jī)器人語音辨識(shí)算法進(jìn)行分析。

4.3.1改進(jìn)的維納濾波器算法

由于語音信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，若用一個(gè)固定的噪聲譜去估計(jì)先驗(yàn)信噪比是不合理的。為解決這一問題，本文采用基于譜嫡及先驗(yàn)信噪比估計(jì)的改進(jìn)維納濾波器算法，此算法對(duì)帶噪語音信號(hào)通過譜墑進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)無聲段的噪聲功率譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，從而得到期望的先驗(yàn)信噪比，提高除噪性能。改進(jìn)維納濾波器的算法流程圖如圖4所示。

4.3.2算法步驟描述

（1）預(yù)處理

輸入帶噪語音信號(hào)，將輸信號(hào)進(jìn)行分幀與加窗處理，利用譜減法降低噪聲，以提高輸入語音信號(hào)的信噪比。在起始階段，算出前幀信號(hào)的噪聲功率譜，做為動(dòng)態(tài)估算的初值。

（2）端點(diǎn)檢測(cè)

將噪音信號(hào)利用譜墑法進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)，記錄語音信號(hào)有聲段的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。該步從源頭上抑制噪聲對(duì)語音識(shí)別系統(tǒng)的干擾，降低噪聲對(duì)語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)的影響。端點(diǎn)檢測(cè)的閾值（Ts）可以通過下面的方法獲得，即：

式3中α是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，通常情況下約等于1.25。如果檢測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)前的輸入語音幀是在有聲段，則進(jìn)入圖4中的步驟（3），進(jìn)一步對(duì)該幀信號(hào)進(jìn)行降噪處理。如果檢測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)前輸入語音幀處于無聲段，則進(jìn)入步驟（4），對(duì)該幀信號(hào)進(jìn)行噪聲功率譜的動(dòng)態(tài)更新。

（3）維納濾波降噪

先估算當(dāng)前幀的先驗(yàn)信噪比，再通過公式計(jì)算維納濾波器的增益。然后將當(dāng)前幀的功率譜乘以濾波器增益。即輸出降噪后的語音信號(hào)，可通過降噪后的語音信號(hào)功率譜通過傅里葉逆變換得到。

（4）噪聲功率譜更新

將當(dāng)前幀數(shù)據(jù)與上一幀無聲片段的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，即

式4中，第一項(xiàng)是由當(dāng)前幀數(shù)據(jù)估計(jì)的噪聲功率譜，并且是用于調(diào)整當(dāng)前幀與前一幀功率譜加權(quán)時(shí)權(quán)重的調(diào)整因子。顯然，無聲片段噪聲功率譜的動(dòng)態(tài)更新可通過上式的加權(quán)平均實(shí)現(xiàn)。

5.結(jié)論

本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)控制的服務(wù)型機(jī)器人，在控制方法、語音辨識(shí)方面作了有益的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，更適合服務(wù)行業(yè)的特點(diǎn)，能更好發(fā)揮服務(wù)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，具有巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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篇10

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；彈跳運(yùn)動(dòng)；輪式移動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

輪式移動(dòng)機(jī)器人在空間探索、海洋開發(fā)、家庭應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在相對(duì)較為平坦的環(huán)境中，僅需要機(jī)器人有較為靈活的移動(dòng)能力，而當(dāng)遇到地形崎嶇、較大障礙物或溝渠時(shí)，一般的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到嚴(yán)重的限制。在復(fù)雜的環(huán)境中，如地震救災(zāi)，機(jī)器人要有對(duì)地面較強(qiáng)的通過能力和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了越過障礙物，要求機(jī)器人具有一定的跳躍能力[1～3]。

彈跳機(jī)器人可以輕而易舉的越過與自身尺寸相當(dāng)?shù)?，甚至?shù)倍于自身尺寸的障礙物或溝渠，因此更適合復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境[4]。但是，單純的機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)會(huì)消耗大量的能量，且元件的磨損程度會(huì)比較嚴(yán)重，而輪式移動(dòng)可以適應(yīng)相對(duì)較為平坦的地形。因此，將彈跳運(yùn)動(dòng)和輪式移動(dòng)結(jié)合，針對(duì)不同的地形，選擇適合的運(yùn)動(dòng)方式，既可以節(jié)省能源，延長(zhǎng)元件使用壽命，又可以使機(jī)器人的適用范圍更廣泛[5]。

本文構(gòu)建了一個(gè)具有跳躍能力的輪式移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人是在彈跳機(jī)器人MSU jumper[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)方式的結(jié)合設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)方法和3D打印的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)彈跳與輪式集成機(jī)器人形小、質(zhì)輕這一優(yōu)化目標(biāo)。

1復(fù)合機(jī)器人工作原理

1.1復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其彈跳機(jī)構(gòu)由3部分組成：主體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)部分、壓縮釋放機(jī)構(gòu)。主體部分由上腿，下腿、壓縮板和底板四部分組成，形成了六桿機(jī)構(gòu)。壓縮和釋放機(jī)構(gòu)套在傳動(dòng)部分的輸出軸上，用以完成彈跳機(jī)構(gòu)的壓縮和釋放動(dòng)作。輪式移動(dòng)部分整體是三輪式結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)前輪、兩個(gè)直流減速電機(jī)和一個(gè)輔助支撐輪及其支架。同時(shí)，三輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)被選為彈跳機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平坦路面的輪式移動(dòng)功能。

1.2復(fù)合機(jī)器人的工作原理

電動(dòng)彈跳輪式移動(dòng)復(fù)合機(jī)器人具有兩種運(yùn)動(dòng)方式：一種是彈跳運(yùn)動(dòng)方式；另一種是輪式移動(dòng)方式。在工作執(zhí)行開始時(shí)，機(jī)器人根據(jù)路況會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式的選擇，選擇情況如下：

（1）當(dāng)是平坦路面時(shí)，機(jī)器人選擇輪式移動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，彈跳機(jī)構(gòu)保持初始狀態(tài)，通過機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人到達(dá)工作目的地。

（2）當(dāng)遇到較高障礙物時(shí)，機(jī)器人選擇彈跳運(yùn)動(dòng)方式。經(jīng)過彈跳運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人完成躍過障礙物任務(wù)，并執(zhí)行接下來的任務(wù)，最終達(dá)到工作目的地。

2復(fù)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)彈跳高度和運(yùn)動(dòng)方式良好結(jié)合性的目標(biāo)，而且要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人微型化和重量輕的目標(biāo)。

2.1彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈跳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括三部分：六桿蓄能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)和壓縮―釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人彈跳主體部分選擇六桿蓄能機(jī)構(gòu)，而且四腿長(zhǎng)度相等。六桿機(jī)構(gòu)扭簧的壓縮初始角為75°，壓縮終止角為15°，壓縮量為60°，為了減輕機(jī)構(gòu)的整體重量，六桿蓄能機(jī)構(gòu)中的上腿、下腿、壓縮板和底板四部分均采用腹板―加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)部分選擇現(xiàn)成的減速電機(jī)，將減速器和電機(jī)集成一體，這樣不僅能夠節(jié)省空間、提高效率，而且可以大大減輕機(jī)器人整體重量。減速電機(jī)的減速比為300，外置嚙合齒輪組的減速比為6，總減速比為1800。同樣為了減輕機(jī)器人的重量和簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，將壓縮―釋放機(jī)構(gòu)兩者設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，下面主要介紹壓縮、釋放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

圖1所示為壓縮釋放機(jī)構(gòu)工作原理圖，該結(jié)構(gòu)由離合件、插銷和魚線繩三部分組成。插銷1安裝于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸，其伸出部分位于離合件2的180°槽內(nèi)，離合件安裝于輸出軸上，離合件的內(nèi)孔和輸出軸之間采用間隙配合方式。

當(dāng)六桿機(jī)構(gòu)壓縮初始狀態(tài)時(shí)，插銷1與離合件2的溝槽側(cè)面接觸。壓縮開始后，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，插銷1帶動(dòng)離合件做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。離合機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°后，離合件2的末端上升到最高點(diǎn)。此時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)處于最大程度壓縮狀態(tài)，離合件2和插銷1兩者之間處于自由狀態(tài)。當(dāng)輸出軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度后，離合件2在插銷1的微小干擾和魚線繩3的拉力作用下，迅速旋轉(zhuǎn)回到初始位置，從而使得彈跳機(jī)構(gòu)釋放能量。

插銷1保證了離合件2的單向旋轉(zhuǎn)，離合件2達(dá)到最高點(diǎn)可以在魚線繩3的作用下短暫鎖定，離合件2的180°缺口保證了突然釋放。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)MSU jumper的單向軸承，實(shí)現(xiàn)了單向軸承的功能，同時(shí)也減輕了機(jī)器人的重量。

2.2輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的穩(wěn)定性和平衡性，機(jī)器人輪式移動(dòng)部分整體設(shè)計(jì)成三輪結(jié)構(gòu)。兩前輪采用各自驅(qū)動(dòng)方式，方便機(jī)器人移動(dòng)的調(diào)整和轉(zhuǎn)向，兩前輪由兩個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車輪直接安裝在減速電機(jī)的D字輸出軸上。輔助支撐輪起平衡作用，維持機(jī)器人的穩(wěn)定性。

3復(fù)合機(jī)器人試驗(yàn)分析與改進(jìn)

3.1試驗(yàn)分析

圖3.1所示為一組機(jī)器人彈跳試驗(yàn)結(jié)果圖，在無控制系統(tǒng)的狀態(tài)下，電源直接帶動(dòng)機(jī)器人電機(jī)，進(jìn)行彈跳和輪式移動(dòng)試驗(yàn)。機(jī)器人的整體重量為85g，彈跳最高高度為21cm，從壓縮開始到彈跳離地的時(shí)間為4s。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了壓縮釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和輪式移動(dòng)與彈跳運(yùn)動(dòng)結(jié)合的可行性。

同時(shí)，機(jī)器人試驗(yàn)結(jié)果也出現(xiàn)了諸多問題。彈跳結(jié)束后，機(jī)器人容易傾倒，無法恢復(fù)行走狀態(tài)；機(jī)器人行走時(shí)的重心不穩(wěn)；能量利用率不高。當(dāng)機(jī)器人釋放的過程中，能量會(huì)大量損失。

3.2復(fù)合機(jī)器人改進(jìn)

基于上述分析，電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的上下兩部分的質(zhì)量分配可以繼續(xù)優(yōu)化?？紤]到機(jī)器人重心不穩(wěn)的問題，可以改變機(jī)器人輪式和彈跳機(jī)構(gòu)的結(jié)合方式。因此，機(jī)器人可以做如下改進(jìn)：

（1）選擇壓縮板作為機(jī)器人輪式移動(dòng)平臺(tái)，使得機(jī)器人上半部分分配更多重量，以減少跳躍過程的能力損失。

（2）在機(jī)器人選擇輪式移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈跳機(jī)構(gòu)處于完全壓縮狀態(tài)，以提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。