一种多功能全向机器人的制作方法

本发明属于智能家电领域，涉及一种多功能全向机器人。

背景技术：

(1)生活节奏日益加快

英国一项研究称，世界都在进入“快生活”，全球城市人走路速度比10年前平均加快了10％，而其中位居前列的几个国家都是发展迅速的亚洲国家。旅居日本的中国学者庚欣说，紧张的快生活是中国这代人避免不了的命运。随着进入工业时代，特别是进入了信息化时代，更要注重团队精神，更要注重团队间的协作，且在工业生产，信息产业的升级中，大量的技术知识的涌现，在有限的资源下，在单位时间内个人间，团队间，公司间，甚至国家间必然会加强竞争，必然会以提高效率为己任，必然会营造一种快节奏生活的氛围.要想在这个大氛围中立足，就必需适应这种快节奏生活。在此情况下人们不得不想方设法的减少不必要的事情以留给自己更多的时间，尤其是在日常家庭事务上。

(2)人口老龄化加剧

(3)当前机器人的发展情况

当今时代，机器人已经深入到人类生活的方方面面。即使目前的科学技术还谈不上像某些机器人电影中那么出神入化，但依照如今科技发展的速度，有理由相信高智能时代的到来不会太远。机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，发展机器人产业应上升到国家战略高度。机器人的广泛使用是我国从制造业大国走向制造业强国的重要手段和途径。

(4)小型家用器人应用情况

随着人们的生活节奏越来越快，人口老龄化情况越发严重，家庭事务成为了人们生活中的极大负担，这为家用机器人的发展提供了契机。如果能够提供许多专门做护理工作的家用机器人，来照料老年人和残疾人的饮食起居，这不仅可以使他们生活的质量得到提高，也可以缓解目前国家和社会的压力。国际上对家用机器人的研究己经有了几十年的历史，也研制出了各式各样的样机或产品，但目前的样机或产品都不能满足在不转身的前提下朝任意方向移动，也不能适应各种复杂狭小的地形。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多功能全向机器人，底盘采用四个电机驱动麦克纳姆轮的驱动方式，使机器人在不转身的前提下朝任意方向移动，同时也可以根据需要原地旋转；底盘还采用独立悬挂结构便于上下台阶和坡道，适应各种地形。机器人配备直流电机驱动的伸缩腿，并配备自平衡系统，实现机器人平稳地升高作业，拿取高处物品；机械手部分安装在与置物板对应的后支架上，采用传统抓夹结构，两个抓手夹住物体表面同时通过舵机的收缩将物品拖拽到置物板上；机械手腕上还装有高清摄像头，摄像头采用机器识别技术连接2.4g无线网络识别物体，同时手臂采用航拍云台的结构，使机械手臂可以360°旋转且可拆卸。底盘周围安装红外测距装置用于躲避障碍，置物板上装有液体储存仓，下方装有工具安装扣，液体储存仓用于存储各种溶液，工具安装扣用于使用工具时的一系列清洁护理工作。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多功能全向机器人，包括底盘、驱动轮、伸缩腿、自平衡系统、升降系统、悬挂系统、机械手、舵机和液体储存仓；

所述底盘通过4个电机驱动的驱动轮进行驱动，驱动轮为麦克纳姆轮，使机器人在不转身的前提下朝任意方向移动，同时也能根据需要原地绕底盘圆心转动；底盘周围设有红外测距装置，用于躲避障碍；同时底盘上设有mpu6050九轴加速度传感器用于加速；

所述伸缩腿由直流电机驱动，并配备自平衡系统，通过升降系统实现机器人平稳地升高作业，拿取高处物品；当机器人到台阶旁后，底盘原地转动调节方向，调节好后升降轮不断伸长直到触地，使得底盘及机械手统统升高到预定好的高度；在每一条伸缩腿上都装有压力传感器，单片机读取压力传感器的数据并且通过pid算法实时的调节电机编码器使得每条腿承受的力一样保证机器人的平衡；升降腿由直流电机驱动，通过stm32f103单片机调节，用于实时调整机器人的平衡；

所述机械手安装在底盘上的置物板的后支架上，采用抓夹结构，通过两个抓手夹住物体表面再通过舵机的收缩将物品拖拽到置物板上；置物板上装设有液体储存仓，用于存储各种溶液，下方设有工具安装扣，用于清洁护理工具；通过舵机控制液体流速流量和出现时间间隔，液体舱内有分隔，用来隔开不同液体；

所述机械手的手腕上还设有高清摄像头，采用机器识别技术连接2.4g无线网络识别物体；

所述机器人的工作模式包括放置物体和清洁环境；

所述放置物体工作模式为：机器人以较低的速度移动，通过高清摄像头的实时图像寻找物体，通过红外测距装置躲避障碍，通过串口将信息传回主控单片机进行计算控制机器人行动，识别到后机械手靠近物体并快速调整手臂使得抓手夹紧货物货物，之后机械手开始移动，移动到使整个机器人最稳定的位置这时将伸缩腿伸出并不断伸长，使得机器人底盘及机械手部分统统升高，到预定好的高度后，机械臂将物品放到指定地点，机械臂收回；自平衡系统在避免机械臂伸出动作与机械手放下重物的过程中避免机器人升到较高的高度导致机器人失稳的情况；放下重物后，机械手收回，伸缩腿缩短并收回，机器人进行下一项工作；

所述清洁环境工作模式为：在工具安装扣上安装清洁工具，包括清扫模式、擦洗模式和打蜡模式；在清扫模式下，机器人全覆盖清扫；在清洗模式下，机器人液体储存仓按照系统设定时间喷洒所需清洁液体全覆盖清洗。

进一步，所述底盘采用独立悬挂结构，便于上下台阶和坡道，适应各种地形。

进一步，所述机械手手臂的底座为云台结构，设有一块24v充电电池，使用云台电机闭环驱动，使yaw轴可360°旋转，且可拆卸；机械臂肘关节使用舵机驱动使pitch轴120°及以上上下旋转，使机械爪的摄像头对物体各个面进行识别；抓夹结构的开合使用舵机控制，抓夹物体重量与舵机力量成正比。

进一步，所述悬挂系统集成3轴mems陀螺仪、3轴mems加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器(digitalmotionprocessor,dmp)，用i2c接口连接一个第三方的数字传感器，通过i2c或spi接口输出一个9轴的信号；传感器的测量范围都是用户可控的，用于跟踪快速和慢速的运动；

所述悬挂系统为独立悬挂，车轴分成两段，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮独立运动。

本发明的有益效果在于：

(1)机器人采用抓夹式的机械手结构，机械臂云台底盘360°全方向旋转且可拆卸，便于全方位稳定抓取物体。

(2)机器人机械臂手腕处装有摄像头，以实现识别功能，大大提高了机器人的智能化程度。

(3)机器人万向移动的底盘，可实现平面内360°任意角度平移、回转运动，方向切换迅速；空间调整的定位精度高、调姿分辨率高；结构紧凑、负载能力大、维护成本低。

(4)机器人采用直流电机驱动pid闭环控制的机械升降腿，结构紧凑，工作可靠；升缩轮上装有压力传感器，并且通过pid算法控制每条腿电机编码器数值，以实现机器人的平稳升降，进一步实现上下楼梯功能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明底盘结构示意图；

图2为串行双pid调控示意图；

图3为本发明机械手结构示意图；

图4为本发明机械手抓取部分结构示意图；

图5为本发明底盘万向移动结构示意图；

图6为本发明底盘麦克纳姆轮示意图；

图7为本发明升降系统结构示意图；

图8为本发明悬挂系统结构示意图；

图9为本发明悬挂系统拆分结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，机器人采用矩形底盘，采用四个电机驱动麦克纳姆轮的驱动方式，使得机器人可以在不转身的前提下朝任意方向移动同时也可以原地根据需要旋转，适合各种走道，底盘采用独立悬挂结构有利于上下台阶和坡道，适应各种地形；机器人配备了直流电机驱动的伸缩腿，并且配备了自平衡系统，可以将机器人平稳地升高实施作业，拿取高处物品；机械手采用了传统抓夹结构，两个抓手夹住物体表面同时通通过舵机的收缩将物品拖拽到置物板上；同时机械手上装有高清摄像头，摄像头采用机器识别技术连接2.4g无线网络识别物体，同时手臂部分采用航拍云台的结构，使得机械手臂可以360°旋转且可拆卸。在底盘周围安装了红外测距装置用以躲避障碍。绿色置物板上装有液体储存仓，下方装有工具安装扣，液体储存仓用来存储各种溶液，置物板上装设有液体储存仓，用于存储各种溶液，下方设有工具安装扣，用于清洁护理工具；

机器人工作过程：

通过按动单片机上的按钮在显示屏上选择工作模式。

1、放置物体

机器人依靠强大的移动功能在复杂的环境以较低的速度移动，通过摄像头的实时图像寻找物体，通过红外测距装置躲避障碍，通过串口将信息传回主控单片机进行计算控制机器人行动，识别到以后机械手靠近这个物体并快速调整手臂使得抓手夹紧货物货物，之后机械手开始移动，移动到使整个机器人最稳定的位置这时将伸缩轮伸出并不断伸长，使得机器人底盘及机械手部分统统升高，到预定好的高度后，机械臂将物品放到指定地点，机械臂收回。机械臂伸出动作与机械手放下重物的过程中由于机器人升到较高的高度可能会导致机器人失稳，因此在这个过程中就需要平衡装置的工作来调节了。放下重物后，机械手收回，升降腿缩短并收回，机器人进行下一项工作。

2、清洁环境

在工具安装扣上安装清洁工具，可设置清扫模式，擦洗模式，打蜡模式等。

清扫模式下机器人按照内部程序全覆盖清扫。

清洗模式下机器人液体储存仓按照系统设定时间喷洒所需清洁液体全覆盖清洗。

各部分结构介绍

(1)串行双pid调控

如图2所示，pid是工业生产中最常用的一种控制方式，pid调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，pid适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳pid控制参数。串行双pid调控能更精准的控制参数。pid(比例(proportion)、积分(integral)、导数(derivative))控制器作为最早实用化的控制器问世至今已有近70年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。

(2)机械手部分的介绍

如图3所示，机械手手臂底座的结构为云台的结构，使用云台电机闭环驱动，使yaw轴可360°旋转，机械臂肘关节使用舵机驱动可使pitch轴120°以上上下旋转，使得机械爪的摄像头可以对物体各个面进行识别机械臂部分采用电机驱动，使得机器人可以精准地完成工作任务，并且整个系统只需要一块24v可充电电池，大大地节约了资源，减少了机器人的成本，有利于机器人的普及与推广。

如图4所示机械爪的开合使用舵机控制，力量成本低可抓夹一般重量的物体，与使用舵机力量有关。

(3)底盘万向移动原理

如图5-6所示，底盘采用4个轮矩形底盘，安装麦克纳姆轮可以实现三百六十度全方向移动，并且可以原地绕底盘圆心转动，方向切换迅速。这种结构空间调整的定位精度、调姿分辨率高，使机器人移动不需要很大的走道空间，可以大大减小走道的宽度。同时，结构紧凑、负载能力大、维护成本低；操作灵便，劳动强度小，节省人力。同时在底盘上安装有mpu6050九轴加速度传感器麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。在此基础上研制的全方位叉车及全方位运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的舰船环境,在提高舰船保障效率、增加舰船空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。

(4)升降系统

如图7所示，机器人到台阶旁边后，底盘原地转动调节方向，调节好后升降轮不断伸长直到触地，使得机器人底盘及机械手部分统统升高，到预定好的高度。在每一条腿上都装有压力传感器，单片机读取压力传感器的数据并且通过pid算法实时的调节电机编码器使得每条腿承受的力一样保证机器人的平衡。升降腿由直流电机驱动，通过stm32f103单片机调节，这样有利于实时的调整机器人的平衡。

(5)图像识别系统

在机械手手心部位有一个高清摄像头，通过机器视觉识别对物体识别，通过2.4g无线网络收集信息。

(6)悬挂系统

如图8-9所示，mpu-600x(6050)为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。

它集成了3轴mems陀螺仪，3轴mems加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器dmp(digitalmotionprocessor)，可用i2c接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其i2c或spi接口输出一个9轴的信号(spi接口仅在mpu-6000可用)。mpu-60x0也可以通过其i2c接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。mpu-60x0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的adc，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，

采用该模块控制底盘方向防止飘移进行自稳使底盘行进更加稳定易于掌控。

一般来说，汽车的悬挂系统分为非独立悬挂和独立悬挂两种，非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也相应跳动，使整个车身振动或倾斜；独立悬挂的车轴分成两段，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮可以独立运动，提高了汽车的平稳性和舒适性。

本发明机器人选用独立悬挂。

(7)液体储存仓

通过舵机控制液体流速流量和出现时间间隔，液体舱内有分隔，用来隔开不同液体。

(8)机器人材料的选择

机器人大量使用6061铝合金材料。6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其强度虽不能与2xxx系或7xxx系相比，但其镁、硅合金特性多，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。

根据市场调查得知，6061铝合金材料的价钱适中，一般为成品28/kg，废品13/kg。对于制作机器人来说，既能满足基本的力学需求，也能大大的节约成本，同时也使得机器人外观上更加美观，拥有极好的性价比，另外6061铝合金材料产品丰富，市场上卖的有板材有棒料，为设计加工提供了方便，也有利于降低成本，所以选择该材料为机器人的主要结构件材料。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。