機器人設計范文

導語：如何才能寫好一篇機器人設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

可以攀爬樓梯，進入危險火場執行消防作業：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景，而是今天正在消防部隊服役的真實的產品——消防機器人

消防機器人是一種用于消防作戰的消防車輛，它可以經遙控進入消防員無法靠近的危險場所：如高溫、濃煙、毒氣、易爆等惡劣環境中進行消防作業，有效保護消防員的人身安全，提高了消防作戰效率；其消防功能主要有：在遠距離遙控模式下進入火災現場向火場噴灑水霧，排除煙塵，噴射水柱或泡沫滅火等；它可以前后行進，原地自轉，跨越障礙，翻陡坡、爬樓梯等靈活動作；消防機器人的誕生是科技與人性化產品設計理念的發展成果。

[緣起]

我們看到的這款由海倫哲企業生產銷售，上海轱轆軒工業設計有限公司進行工業設計的產品在今年剛揭曉的2012年中國創新設計紅星獎中摘得至尊金獎，評委對其功能化的產品設計語義形態給出很高的評價，這是對該產品在研發中導入工業設計，提升產品綜合價值的肯定和鼓勵。

關于消防機器人的設計故事是追溯到2011年10月，這家以創新精神聞名行業的企業實施了消防產品科研戰略，其中一項目標是希望將其新研發的消防機器人能夠以一種前衛的面貌打入市場，打破了現有消防產品的同質化狀態，并以此構建優秀品質的企業產品形象體系。海倫哲企業委托轱轆軒工業設計團隊為其新研發的消防機器人進行產品的全新概念設計；經過溝通，工業設計團隊明確了海倫哲企業對該產品的工業設計要求：一種顛覆傳統、全新面貌的消防機器人；并通過工業設計以及相關技術從外觀形態、色彩視覺、人機工程以及材料工藝等全方面對產品優化，讓消防作戰變得更安全、更迅捷、更有效。

[設計前溝通學習]

轱轆軒對工業設計工作的理解是工業設計一定要融入企業產品研發體系，而不應當是所謂的技術外包，獨自蒙頭做方案，因為工業設計的每個細節必然會關乎生產企業內對應的生產環節或研發、銷售部門；工業設計師的工作內容更恰當的說是以產品形態創新為目標的綜合協調與策劃。在工作開始之前，工業設計團隊先深入企業生產車間，了解消防產品生產的一般流程，常用材料、工藝，同時不時的向一線生產人員請教各種疑問和即時的設想；同時，與研發人員溝通了解其功能原理以及模塊組合關系，探討各種變更的可能，明確可變動結構與不可變動的結構或布局；還與商務采購部門溝通關于產品選配的外購件的選用規則、價格區間、選配參數等。這些學習與溝通是后續設計工作沿著正確合理的方向進行的首要前提。

[趨向研究]

之后轱轆軒工業設計團隊便開始了全面的研討并付諸于設計實踐，按轱轆軒的設計流程，首先要做的是產品趨向研究，關于產品趨向研究，主要是分析該類產品的現狀與發展歷史，尤其是其產品語義形態的發展歷程，結合當下社會文化、經濟環境等因素，探尋產品發展的趨向，推演產品的前沿狀態。

相比一般產品，這類設備車輛產品的工業設計更多的是受到來自諸多國標的、行業的標準法規的限制，同時復雜多變且要求高可靠的的功能狀態決定了一直以來造型與結構的高沿襲狀態，這樣以來看似留給工業設計師發揮的余地不是很多，但這不是平庸的理由，轱轆軒是相信產品是有靈魂的，產品的形態語言是可以傳遞出產品的內在靈魂的，而有生命力的產品往往是有著獨特的內在品格和靈魂；在這一方面，產品靈魂的提煉更多的是以產品的社會角色、功能角色為整體對象，結合使用環境、社會環境對它的定義來探討它“本來應該的樣子”或我們稱之為　“天籟之形”的最佳設想，這是自上而下的設計構思；另外一方面，是以產品內部構造為單元，探討更多種“同樣合理的可能”或“有沒有更合理的可能”，這是自下而上的設計構思；兩個方向的設計構思互相修正推演出更為出色的產品設計趨向。

從社會功能的角度定義，消防機器人應當是針對現代社會頻發的火災、化學泄漏甚至核事故等不適合搶險救援人員靠近的各類災害救援，而不止是火災；這樣產品形態的功能語義就顯得尤為重要，設計應當強化風筒、水炮、泡沫炮以及履帶等功能形態，在此基礎上還必須通過覆蓋件的形態將各部件串聯形成協調的整體；經過頭腦風暴，最后趨向研究鎖定了“雙翼”的視覺聯想概念：翼，本意為鳥類的翅膀，如今其通感意向已經更側重如：

“飛翔”——飛機的側翼；

“威力”——翼虎：添上翅膀的老虎；

“保護”——翼護：保護、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器人的搶險救援功能特征趨于接近，經過與企業營銷部門的溝通，該概念獲得了初步認可；同時，工業設計團隊與企業研發部門討論確定了針對該概念調整優化的最新結構和布局，工業設計工作很快進入外觀造型階段。

篇2

機器人是自動執行工作的機器裝置，可協助人類工作，以提高工作的精度和效率，在一些危險、惡劣、任務繁重的環境下，機器人更具有人類無可比擬的優勢［1］。近年來，作為機器人發展的新階段，移動機器人技術發展迅速，應用領域日益廣泛。移動機器人的行進方式主要有輪式、腿式和履帶式3種［2］。輪式結構行進速度最快，但其地形適應能力最差，只能在較平穩的地形環境下行走［3］;腿式結構具有很強的越障能力，可在各種地形環境下行走，但其行進速度較慢且控制復雜;履帶式結構具有牽引性能好，不易打滑，地形適應能力強，但其質量較大，運動慣性大，振動較大，行進速度較慢。為適應復雜地形環境，機器人多采用輪履式、輪腿式或輪履腿式等復合移動機構，復合移動機器人平臺在不同環境下可采用不同的行進策略，極大地提高了機器人的前進速度和地形適應能力，成為移動機器人發展的一個方向。文中提出了一種8輪腿式移動機器人平臺。該平臺在平整地形環境下采用輪式行進方式，在非平整地形環境下采用輪腿復合行進方式，具備較強的地形適應能力。文中針對該平臺進行了結構設計和運動學分析，并對逆運動學分析結果進行了仿真驗證。

18輪腿移動機器人平臺設計

文中研究的移動機器人平臺的工作環境是野外、非平整地形，要求機器人平臺可上、下40°斜坡，并可實現坡上制動，具有一定的跨越臺階能力，并可調整起橫滾角。為兼顧機器人平臺的行進速度和越障能力，機器人平臺采用輪腿復合式結構，該平臺具有結構簡單、控制容易及耗能較低等特點。

1．18輪腿移動機器人平臺的整體結構設計8輪腿式移動機器人平臺有8輪8腿，其結構前后左右分別對稱，主要由機架1、前部輪腿系統2、后部輪腿系統3和驅動系統4構成，如圖1所示。其中前部輪腿系統和后部輪腿系統在結構上完全相同，均由一個擺腿電機、一個張腿電機和一系列傳動系統組成，主要實現機器人平臺的擺腿和張腿兩個動作，進而使機器人平臺實現越障和保持平穩，機器人平臺輪腿與軸之間的安裝采用花鍵連接。驅動系統由左右2個電機構成，分別通過鏈傳動帶動其對應的一側車輪轉動，從而實現機器人平臺的前進、后退和轉向等動作。8個車輪均為驅動輪，車輪直徑為200mm，正常行駛下采用輪式行進。當遇到高于輪子半徑且低于250mm高的障礙時，通過前后腿協調擺動來實現越障;當遇到高于250mm的障礙時，可實現差速轉向。輪腿之間的角度可以調節，進而調整機器人的橫滾角，在遇到左右高度不同的地形時，可以通過調整輪腿之間的角度來保持機器人的平穩。

1．28輪腿移動機器人平臺的輪腿系統設計機器人平臺的輪腿系統由結構完全相同的前部輪腿系統和后部輪腿系統構成，主要完成機器人平臺的腿部轉動，結合車輪轉動以實現平臺越障和保持平穩。下面以前部輪腿系統為例來說明輪腿系統的結構特點，前部輪腿系統由4條輪腿、1根主軸、1根套軸、傳動系統和2個電機組成，輪腿系統的結構簡圖如圖3所示。機器人平臺的輪腿系統主要有張合和擺腿兩個運動，分別由2臺電機帶動。張合運動即主軸和套軸同速反向轉動，由張腿電機控制;擺腿運動即主軸和套軸同速同向轉動，由擺腿電機控制。2臺電機相互配合，從而使輪腿系統實現2種動作。當機器人平臺要做擺腿運動時，張腿電機不供電，主軸和套軸相對靜止，擺腿電機轉動，帶動張腿電機、主軸和套軸同速同向轉動，從而實現擺腿運動;當機器人平臺要做張合腿運動時，擺腿電機不供電，從而使張腿電機相對于機器人平臺保證靜止，張腿電機轉動，帶動主軸和配置同速方向轉動，從而實現腿的張合運動。

1．38輪腿移動機器人平臺的驅動系統設計機器人平臺的驅動系統由2臺電機和兩套鏈傳動系統組成，左右對稱，每個電機通過一套鏈傳動系統帶動一側的4個車輪轉動，通過2臺電機的配合轉動帶動機器人平臺實現前進、后退、轉向等動作。其機構簡圖如圖4所示。圖4中，前大鏈輪和后大鏈輪為復合鏈輪，由3個單排鏈輪復合而成，復合鏈輪只套裝在套軸上，可繞套軸自由轉動且不受干涉，和套軸有相同的旋轉中心線。機器人平臺的驅動系統的傳動過程為:首先驅動電機帶動主動鏈輪轉動，主動鏈輪再通過鏈條帶動復合鏈輪轉動，然后復合鏈輪通過鏈條再帶動小鏈輪轉動，進而帶動了車輪轉動，從而實現了一個電機帶動輪腿末端的4個車輪轉動。由于電機要通過鏈傳動帶動車輪正反轉，為避免鏈條松動，添加張緊輪。

28輪腿移動機器人平臺運動學分析

2．1建立坐標系機器人平臺的位姿可用機器人平臺上的某個參考點位姿表示，文中建立一系列坐標系來表示機器人平臺的各個機構之間的移動和旋轉關系［5］。依照直角坐標變換法，文中建立坐標系的準則為:X軸、Y軸與Z軸的建立按照右手法則，機器人平臺的轉向運動為繞Z軸旋轉，俯仰運動為繞Y軸旋轉，橫滾運動為繞X軸旋轉。由于機器人平臺為對稱式的結構，因此只建立機器人平臺一側各機構的坐標系即可。建立機器人平臺右側輪腿系統各機構坐標系如圖5所示。坐標系O－XYZ表示機器人平臺中心點的坐標系;坐標系A－X1Y1Z1，E－X5Y5Z5分別表示機器人平臺的前軸中心點和后軸中心點的坐標系;坐標系B－X2Y2Z2，F－X6Y6Z6分別表示前后軸右側端點的坐標系;坐標系C－X3Y3Z3，D－X4Y4Z4，G－X7Y7Z7，H－X8Y8Z8分別表示右側4個車輪的轉動軸中心點坐標系，坐標系之間的相對變化關系如表1所示［6］。ψ，φ，θ分別表示各機構在直角坐標系OXY中分別繞Z軸、Y軸、X軸的轉角;α1，α2，α3分別表示機器人平臺在大地坐標系中相對于水平面的偏轉角、俯仰角和橫滾角;α4，α5，α6，α7分別表示右側4條輪腿相對于大地坐標系水平面的傾角。

2．2正運動學分析為了推導機器人平臺運動學模型，做如下假設:(1)車輪與地面為點接觸;(2)車輪與地面直接無相對滑動;(3)機器人平臺整體、車輪與地面的接觸點均為剛體。由表1推導的坐標變換關系，以右側第3輪為例，推導車輪位姿參數與機器人平臺上參考點位姿參數之間的關系［7］。

2．3逆運動學分析已知機器人平臺參考點的位姿，求各個輪腿末端的位姿，即為運動學逆解。一般情況下，如若運動學正解唯一，則逆解不唯一，即在文中研究的情況下，已知工作平臺參考點的位姿，則有多個輪腿末端位姿與之相對應。但由于機器人平臺的結構特殊性，其左右兩側輪腿的相互制約，輪腿末端的位姿一般情況下不會有多個。但在機器人跨越高于一定高度的障礙時，機器人將會采取擺腿越障，這種情況下輪腿之間的制約因素就會被削弱，將會產生多個與機器人平臺參考點相對應的位姿［8］。由正運動學結果可得。

2．4逆運動學分析結果驗證為驗證上述計算的正確性，用MATLAB軟件中的二維繪圖功能對運動學逆解的結果進行驗證。初始參數設定為:［XPYPZP］T=［000］T，α2=0°，α6∈［26°，64°］。因為機器人平臺輪腿系統的特殊構造，一側腿張開另一側腿就會同時合攏，兩側腿系統之間相互制約，為了避免產生干涉，取α6∈［26°，64°］。由機器人平臺參數可知:L1=600mm，L7=345mm，L8=230mm，將上述參數代入式(7)可求得機器人右側第3條輪腿末端位姿矩陣:［XYZ］T=［345－230cosα6，300，－230sinα6］T(8)利用MATLAB進行運算即可得到機器人平臺輪腿末端運動軌跡，如圖6所示。

篇3

我們設計的輸電線路除冰機器人采用除冰桿敲擊式除冰,不傷導線,安全有效,采用三手臂通過旋轉伸縮動作進行越障,操作簡單可行,結合輔助設備上下線裝置進行上、下線安裝,操作方便。除冰機器人主要分為機械系統和控制系統兩部分。機械系統包括行走裝置、除冰裝置和越障裝置3部分;控制系統包括主控模塊、驅動模塊、無線操作模塊和狀態信息反饋模塊4部分。機器人通過前、后臂上的滾輪可沿導線行走;在越障時,中間手臂可夾緊導線保證機器人的穩定性和可靠性;前、后臂之間可相對移動調整間距;前、后臂各有1個移動和旋轉自由度,結合中間手臂通過動作規劃可以實現越障;除冰裝置采用3個除冰桿從上方交替敲擊的方式,以較小的能量消耗達到除冰的效果。控制系統的主控模塊負責接收無線操作模塊發出的指令,并將新指令傳送給驅動模塊;驅動模塊接收到指令實時控制各電機的轉動;無線操作模塊負責將工作人員的控制信息直接發送給主控模塊;狀態信息反饋模塊負責將機器人各部件的位置狀態實時反饋給主控模塊,為下一步動作提供狀態信息。在實際操作中,除冰機器人通過地面遙控和程序自動控制相結合的方式實現作業。

2機械系統

2.1行走裝置行走裝置作為機器人前進的動力裝置,需要保證機器人能夠在導線上平穩快速前進。由于高壓輸電導線結構特殊,機器人采用滾動原理進行移動。行走裝置主要包括電機、支撐軸承、行走輪、絲桿、導向桿、夾緊塊、圓錐滾輪、支撐板等。行走裝置與手臂外筒固定連接,行走電機驅動滾輪旋轉帶動整個機器前進,夾緊電機驅動夾緊塊夾緊導線。設計結構圖如圖3所示。機器人前臂在進行越障時,重心會出現向前偏移,后臂可能向上抬升脫離導線,使機器人前臂出現一定程度的向下傾斜,可能無法順利越障。后臂越障時,也會出現同樣的現象。為了避免上述問題的發生,在行走裝置上增加夾緊機構輔助越障。該機構的夾緊滾輪設計為上小下大的圓錐形,可以保證在夾緊導線時手臂不會向上抬升脫離導線。

2.2越障裝置據前述可知,國內的除冰機器人很多都無法越障,大大影響機器人的實用性。機器人能否自主越障已成為除冰機器人結構設計的關鍵之一。本文中我們設計的機器人具有越障裝置,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、前后旋轉伸縮手臂和中間夾緊手臂4個主要部件,各部件設計結構圖如圖4~圖6所示。具體越障動作規劃(前臂越絕緣子為例)為:(1)機器人中間手臂前進至極限位置。(2)前后臂同時收縮,中間臂抬升夾緊導線。(3)前臂升高,行走輪脫離導線。(4)前臂旋轉180°,行走輪等偏離導線。(5)行走箱錯動,前臂前進至障礙物另一側。(6)前臂旋轉180°,行走輪位于導線上方。(7)前臂收縮,行走輪等回落至導線上。此時前臂成功越障。后臂越障動作規劃與前臂基本一致。

2.3除冰裝置目前,國內可采用的機械除冰方式有敲擊、沖擊、銑削、切削、鏟刮、振動等[1]33-34。本團隊在實驗室進行了敲擊、銑削和切削3種方式的除冰實驗,通過分析比較發現敲擊除冰相對更安全有效。該除冰裝置結構簡單,原理是電機通過凸輪機構帶動除冰桿上下運動,通過3個除冰桿從上方交替敲擊覆冰的方式,以較小的能量消耗實現較好的除冰效果。設置的限位導輪,可以避免除冰桿損傷高壓輸電線。除冰裝置通過滑塊導軌機構與機器人手臂活動連接,設置的吸振彈簧和滑塊配合,可始終使限位導輪壓緊在高壓輸電線上,并可以吸收除冰桿敲擊除冰時產生的振動能量,減小振動對機器人其他部件的影響,遇到帶坡度的導線時,還能實時調整除冰裝置相對手臂的高度,保證除冰效果。相對目前廣泛使用的直流熱力融冰技術,具有除冰效果明顯、成本低、易操作的優點。除冰裝置如圖7所示。

2.4機器人仿真分析我們通過仿真分析以驗證機器人能越障的可行性。用Pro/E進行三維建模,在ADAMS中按照預定的行走越障動作規劃進行運動學仿真分析。這里以前臂跨越FR3型防震錘為例，機器人能否成功跨越防震錘有兩個指標,一是越障時前臂橫向(X軸)是否與防震錘發生碰撞;二是前臂縱向(Z軸)能否完全跨過防震錘。防震錘中心點坐標為(-309,190,-669),由圖8可知越障時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,指標二滿足。綜上可知,除冰機器人能跨越障礙物。故機器人機構設計合理,越障動作規劃可行。

2.5機器人上下線裝置機器人順利上線安裝是進行除冰作業的前提。機器人約45kg,檢修人員無法徒手攜帶機器人安全上下線安裝,同時考慮到機器人出現故障時能夠方便及時下線維修等要求,我們設計了該上下線裝置,以解決除冰機器人的上下線安裝問題。上下線裝置包括固聯滑輪、吊籃、提升繩、防晃繩、配重塊等。固聯滑輪是用“Z”形鋼筋將兩個滑輪固接,防止相對移動。在吊籃正下方添加配重塊,上下線安裝時可降低重心,更加平穩。該裝置結構簡單,功效明顯。機器人上線動作規劃如下:(1)將固聯滑輪在導線上安裝好,放下提升繩并系在吊籃上,同時在吊籃上系上防晃繩,將機器人前后手臂外轉180°并放入吊籃。(2)緩慢提升吊籃至行走輪高于導線,機器人手臂內旋180°,使行走輪位于導線正上方。(3)緩慢放松提升繩讓行走輪自動掛上導線,放下吊籃,線上人員適當調整,保證機器人初始狀態,卸下滑輪,完成除冰機器人的上線工作。機器人下線原理與上線一樣。采用上下線裝置安裝機器人,既方便快捷,又安全有效,是一種可行的除冰機器人上下線安裝方式。野外現場除冰機器人上下線安裝試驗如圖12所示。

3控制系統

高壓輸電線路除冰機器人主要采用人機結合、局部智能的控制方式[10]。機器人在高壓輸電線路上除冰時可以在3種狀態下工作,即全手動、單流程自動以及多流程自動。操作人員根據實際需要可通過遙控鍵盤進行無間隙切換。控制系統的結構框圖如圖13所示,主要包括主控模塊(MCU2)、無線操作模塊(MCU1)、驅動模塊、狀態信息反饋模塊等。機器人電源系統采用12V鋰電池供電,具有體積小、容量大、質量輕、壽命長等優點。

3.1主控模塊主控模塊即主控制器模塊,本系統采用AVR系列單片機Mega128,原理圖如圖14所示,包括程序下載接口、復位電路、以及時鐘電路等。機器人主控模塊主要負責接收無線操作模塊發出的控制指令,根據除冰機器人動作規劃,將處理后的新指令傳送給驅動模塊來控制電動機轉動,以實現機器人各種動作。在主控制器得到發送過來的控制指令時,首先對該指令進行一次有效性判斷,如果得到的指令存在誤碼或亂碼,則舍棄該指令,以防止機器人發生錯誤動作。主控制器程序可以實現單流程自動、多流程自動以及所有流程全手動等工作模態無隙切換。其軟件設計流程如圖15所示。

3.2無線操作模塊操作人員與機器人之間的通信全部由無線鍵盤發出,主要包括機器人工作方式選擇、電機正反轉狀態控制、故障急停等。為方便控制電機的正、反轉和停止3種狀態,本系統選用單刀三擲開關,開關的每一個狀態分別與電機的狀態相對應。由于每個按鍵有3個擋位,需要單片機的兩個I/O端口作為鍵值信息通道,系統共設計了16個按鍵,另外加上無線發射的引腳,因此至少需要單片機有34個獨立引腳。系統選用AVR系列的單片機Mega128作為主控芯片,該芯片內部含有豐富的硬件資源,能夠十分方便的與無線收發模塊APC220進行通信。APC220模塊是高度集成的半雙工微功率無線數據傳輸模塊,其嵌入了高速單片機和高性能射頻芯片。采用高效的循環交織糾檢錯編碼,抗干擾和靈敏度都大大提高,最大可以糾正24bits連續突發錯誤。與單片機的連接原理圖如圖16所示。為使無線鍵盤發射的性能更加穩定,系統在鍵盤信息之前加上了一個字節校驗密碼,只有當接受端得到了以該密碼開頭的信息才視為有效,否則機器人不接受該信息。實驗表明,這種方法能讓機器人安全可靠的工作,有效地降低了控制出錯率。其軟件設計流程如圖17所示。

3.3電機驅動模塊電機驅動模塊采用Freescale公司的MC3386,該驅動可以同時驅動兩個電機,最大驅動峰值電流可達6A,為得到更好的驅動性能,本系統將每個芯片上的兩個通道并聯在一起去驅動一個電機。使用該芯片可以方便地進行正、反轉和剎車等控制,同時也可以使用脈沖寬度調制(PWM)對電機進行調速,機器人前后臂的升降旋轉就運用了PWM進行調速。每個芯片使用單片機的兩個I/O端口進行操作,實驗表明使用MC33886作為除冰機器人的動力電機的驅動能夠完成機器人的各種動作,性能良好。

3.4狀態信息反饋模塊當機器人在高空的高壓輸電線路上作業時,人眼無法看清楚,而機器人的每個動作必須在掌控中,因此機器人的每個動作是否完成必須有明確的反饋信息。本系統采用金屬接近開關作為機器人行程信息反饋的傳感器,當有金屬靠近接近開關約2~3mm時,在電路作用下(圖19),接近開關便向單片機發出一個高電平信號,當在其接觸頭2~3mm范圍內沒有金屬時,接近開關向單片機發出一個低電平信號。TLP521是一個光耦合器件,使用該芯片的作用有兩個:一是將12V的高電平轉換為單片機能夠讀取的3~5V;二是起到光電隔離的作用,防止電機工作時對單片機的正常工作產生影響。實驗效果表明,使用接近開關作為機器人狀態反饋傳感器能夠準確的監控機器人的動作流程,為實現機器人自動除冰和越障提供了準確的反饋信息。

4結論

篇4

關鍵詞：自閉癥兒童；陪護機器人；情感特征；產品設計

檢 索：.cn

中圖分類號：TB472 文獻標志碼：A 文章編號：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，國內外研究者對于自閉癥陪護機器人進行了不同方面的研究探析，機器人技術的開發與應用為自閉癥兒童社交技能的訓練提供了新的研究方向，陪護機器人對于促進自閉癥兒童的恢復治療變得越來越重要。全球現有孤獨癥患者3500萬，其中40%是兒童，中國孤獨癥患兒數達100多萬，且呈逐年上升趨勢。隨著該群體的數量逐年增加，他們的特殊要求也逐漸凸顯出來，對自閉癥兒童陪護產品的相關設計也提出了更高的要求。陪護機器人在設計過程中，需關注自閉癥兒童的情感特征、喜好傾向和心理需求，根據這些情感要素進行設計，通過產品外觀的色彩、造型、產品的功能以及交互方面營造良好的氛圍，使患兒產生親切、輕松、愉悅、依賴等不同的心理情緒，并且要避免產品的色彩、造型給患兒帶來失落、抑郁等負面的心理。使產品能夠促進患兒注意力集中，激發患兒參與的興趣，全面提升產品的使用體驗。

二、自閉癥兒童陪護機器人應用實例

國外應用于實踐的機器人實例證實陪護機器人對于自閉癥兒童治療恢復起到有效的作用，大大改善其行為結果。目前較有代表性的自閉癥陪護機器人有3款。

第一，Nao是一款功能豐富的人形機器人，可以擬人講話、做出動作，并且可以識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機器人通過語音、動作可以與自閉癥兒童產生交流互動，造型擬人可愛，可提供給患兒一定的社會互動過程，培養其正常的溝通能力。自閉癥兒童通過使用Milo機器人，有利于其順利地掌握溝通技能。（圖2）

第三，Leka是一個能夠移動的球形機器人。患兒可以在無人看護下單獨與 Leka玩耍。Leka具有聲、光、震動等功能，促進培養患兒對四周圍的感知能力，使其得以發展良好的社交技能。（圖3）

以上3款產品各具特色，其共同點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，且肢體設計都能與患兒產生良好的互動，幫助患兒取得更好的療效。以此做借鑒，引入設計實例中，并對產品的色彩選擇、造型及動作交互作出更為詳盡的設計。

三、自閉癥兒童情感特征研究

為使陪護機器人能夠為自閉癥兒童帶來親切、輕松、愉悅的感覺，營造適宜、富有安全感的環境氛圍，從以下幾點情感特征分析出發，為設計增添有利依據。

（一）感知覺障礙：一些自閉癥兒童對光、噪音、觸覺或痛覺等感覺刺激反應特殊，有些表現為過度遲鈍，有些則反應過度敏感。因此機器人的色彩、造型需選用處于中等程度的設計元素，避免極端反應。色彩設計中可以通過研究自閉癥兒童的色彩偏好應用到產品中，造型應選擇簡潔、輕松的體態，以滿足自閉癥兒童的情感需求，促進其治療效果。

（二）社會交往障礙：自閉癥兒童難以對父母或其他親人產生依戀感，也不能建立伙伴關系，導致感情和社會互動方面困難，不能與人產生正常的溝通互動。因此針對該人群的產品設計中需要加入圖片交換溝通系統的應用模塊，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，這種行為伴有持續性，需要來自家庭和看護者的持續照料。因此陪護機器人的造型設計上應注重其陪伴性、親和性，增強一定的安全感氛圍。

四、設計實例

通過實例及情感特征分析，明確了設計構思的方向：一款適合自閉癥兒童情感特征的陪護機器人。將該群體特殊的色彩偏好以及其情感特征、精神需求融入到設計的色彩選擇及造型呈現中，探討其在自閉癥兒童陪護機器人設計中的思路和方法。

（一）以改善感知覺障礙為目的的配色選擇

色彩對大腦產生重要影響，對自閉癥兒童的認知活動發揮著強有力的作用，首次正式研究自閉癥群體顏色感知的美國研究者Ludlow發現，如果用顏色（藍色和紫色等）鏡片覆蓋文本將提高自閉癥兒童的閱讀速度高達13%。國內曹漱芹等人采用對偶比較法針對4-6.5歲漢語自閉癥幼兒進行的顏色偏好研究中，發現自閉癥幼兒在總體上偏好冷色，其顏色偏好的順序為：綠、藍、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果，結合患兒情感特征分析，機器人應盡量避免過于艷麗、強烈的色彩，亦不能色彩過于單調，呆板。其色彩設計在視覺、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展的色彩，達到舒適、明快、整體的形象呈現。如此提高患兒的對機器人的色彩敏感度，使其感知覺障礙得以改善。該設計實例中，為符合自閉癥兒童色彩偏好，選用低明度的藍色、綠色和粉色與銀白色搭配，簡潔明快，色調偏冷，使患兒得以舒適的視覺體驗。（圖4）

（二）以改善社會交往障礙、興趣和行為異常為目的的造型設計

為了改善自閉癥兒童的社會交往障礙、興趣和行為異常這些情感特征上的缺陷，那么在造型設計上應充分滿足自閉癥兒童的精神需求，提升機器人的形象吸引力和象征意義，以產生良好的交流互動。從機器人形象呈現、圖片語音及動作的交互方式這三個方面對造型進行設計。

1.造型簡潔親和化

有研究表示，自閉癥患兒之所以不愿意與外界交流，其中一個原因在于難以識別人類復雜的行為表情。但機器人沒有太復雜的面部表情，自閉癥兒童面對機器比面對人群時反應更為自然。因此，頭部也采用簡潔的形態并加以微笑的可愛表情，整體簡化了機器人體態上的裝飾，下身采用滾輪式移動方式，亦可降低制作成本，為自閉癥兒童群體設計呈現出友好、親和、簡潔整體的小伙伴形象，以促進自閉癥兒童更順利地與機器人互動，逐步培養鍛煉其溝通交流能力，該機器人造型方案如圖5所示。

2.加強溝通互動能力的屏幕設計

根據2014年1月美國公布的《自閉癥兒童、青少年的以循證為基礎的實踐》這一報告，圖片交換溝通系統被列為有實證證實的、有效的循證實踐之一。自閉癥兒童在圖片提示條件下對情緒的認知優于在語言提示條件下對情緒的認知，表明圖片可以幫助他們理解情緒。因此設定陪護機 器人胸前的屏幕用來實施圖片交換溝通系統，通過圖片、視 覺符號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，改善其社會交往障礙。

3.動作交互日常化

由于自閉癥兒童面對機器人更為自然直接，陪護機器人的肢體動作設計盡量地滿足動作種類豐富、能順利地完成擁抱、手勢舞蹈、舉手等常見社交互動動作，為自閉癥兒童帶來情感關懷的同時，目的是培養促進自閉癥兒童能在日常生活中與周圍進行正常的社交互動，充分地改善其興趣和行為上的異常，擴展患兒的情感世界及興趣范圍。

五、總結

自閉癥兒童陪護機器人作為一種工業性產品，情感因素的考慮應作為設計的重點，方案中陪護機器人的設計從自閉癥兒童的情感特征出發，并結合自閉癥兒童的色彩、造型偏好需求設計了新的設計方案。設計中除了對機器人的色彩、造型上的考慮，還應該對其材質、動作實現的方式以及用戶數據進行深入分析，開發出更加完善、科學的自閉癥兒童陪護機器人。

參考文獻：

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篇5

本文通過研究仿人機器人運動過程規劃以及伺服電機控制的基本原理和方法, 給出了Biped型機器人設計的整體方案。所述的機器人采用基于STC89C52單片機的高精度伺服控制系統，減少了傳統控制方法不穩定性對系統精度的影響。同時，選用了TR213高精度伺服電機，使機器人的運動機構在運行過程中協調、平穩。并通過單自由度調試、多自由度調試、運動過程規劃等實驗驗證了系統的可行性，所設計的機械結構及控制方法真正地實現了Biped型機器人控制的高精度、高穩定性和智能化。 

1 整體結構設計 

根據仿人機器人的行走、前進、后退、重心偏移和上下樓梯等運動過程要求，Biped型機器人主要由機械結構、高精度伺服電機、伺服控制系統和驅動系統等部分組成。 

由于人體為左右對稱結構，為了達到仿人運動的目的，Biped型機器人也采用相同的對稱結構，如圖1所示。 

以機器人行走過程中的右腿向前移動過程為例，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四個階段。為了實現動作要求，機器人需要踝關節、膝關節和髖關節6個自由度配合完成，其各關節的轉動角度范圍如表1所示。從表中可以看出，踝關節1、2可以通過轉動完成整體結構重心沿y軸方向的移動控制，保持機器人在動作過程中的重心穩定；膝關節3、4和髖關節5、6通過配合轉動改變機器人沿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，實現機器人的動作要求；另外，雙足機器人各個關節角的運動范圍都大于人類各個關節角度的運動范圍，可以滿足模仿人類動作的關節角度范圍要求。 

2 高精度伺服電機的轉動控制 

Biped型機器人的各關節的位置采用TR213高精度伺服電機的轉動進行驅動和控制，并由STC89C52單片機產生周期為20ms，脈寬為0.5ms-2.5ms的脈沖寬度調制（PWM）信號，該脈沖寬度與電機轉動的偏轉角度成正比，通過不同的脈沖輸入寬度可精確地控制伺服電機的轉動角度，其驅動分辨率達到1μs，角度分辨率可達0.09°，伺服電機的轉動角度控制原理如圖2所示。 

位于伺服電機內部的齒輪組將電機的轉動速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大倍數后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度，其內部電路如圖3所示。 

PWM信號進入信號解調芯片BA6688后將產生直流偏置電壓信號，該信號和芯片內部5K電位器所產生的基準電壓信號進行比較，將得到的脈沖進行展寬后輸入至芯片BAL6686，芯片根據展寬后的脈沖信號驅動伺服電機轉動，在此過程中，伺服電機的轉動將帶動電位器發生變化從而改變電壓差的大小，直到壓差為0時，伺服電機轉動到指定位置后停止轉動。另外，解調后的直流偏置電壓通過與在電位器上得到反饋電壓進行比較可得到正負電壓差，BA6688將該電壓差輸送的PWM信號給電機驅動電路BAL6686以驅動伺服電機正反轉。疊加在5K電位器上的另外一個信號Motor Back EMF信號將會使伺服電機產生一個反向電動勢，通過和給定的基準電壓進行比較可以改變伺服電機的轉速，從而控制機器人的動作速度。 

3 伺服控制系統 

Biped型機器人的伺服電機控制主要是通過STC89C52單片機所產生的PWM信號來實現。由555定時器組成的振蕩器作為時間基準信號，通過對其產生的脈沖信號進行計數來產生PWM脈沖信號，并由I/O口進行多路輸出，輸出后的信號經過整形處理，產生標準的PWM脈寬調制信號，以提高機器人動作的精度和穩定性。同時，STC89C52單片機上的FLASH為程序存儲提供了足夠的空間，還可以使用其串口和在線燒錄功能與上位機進行通信來完成對多路伺服電機轉動的控制。 

4 驅動系統 

為了使Biped型機器人具有足夠的驅動能力，在設計中采用具有較大輸出扭矩的TR213伺服電機，該電機的供電電壓為4.8-7.2V，最大輸出扭矩為13kg·cm，當其空載時電流很小，可以忽略不計，但當其動態負荷扭矩達到最大時驅動電流可達2A，但由于Biped型機器人的6個自由度一般不會全部同時工作在最大負荷狀態下，根據測試表明，在正常情況下每個伺服電機的電流小于0.5A，因此，采用電流為10A的直流穩壓電源為其供電，即可滿足其驅動要求。伺服電機控制電路與伺服電機驅動電路采用分開供電模式，由7805穩壓芯片為其提供穩定電壓，以減小伺服電機電壓波動對其造成的干擾，來提高控制精度。 

結語 

理論與實驗表明，所設計的Biped型機器人具有控制精度高、穩定性好和結構簡單等特點。通過高精度伺服電機和控制系統有效地減少了系統不穩定性對機器人運動過程造成的影響，為仿人機器人的開發和設計提供了一種比較理想的方法與解決方案。 

參考文獻 

[1] 史耀強.雙足機器人步行仿真與實驗研究 [D].上海：上海交通大學，2008. 

篇6

【摘要】為了提高機器魚研發的靈活性，在此提出一種基于FPGA的自主視覺機器魚設計方案。該設計方案借助FPGA技術處理紅外傳感器返回的數據信息，并利用FPGA具有的并行性、高速性、靈活性等特點精準地控制舵機完成相應動作。該設計方案有很高的可行性，相比之下有更好的實時性和精準度。

 

【關鍵詞】FPGA；機器魚；紅外傳感器；自主視覺

隨著仿生學、機器人學、流體力學和控制科學的不斷融合與發展，仿生機器魚的研制成為了機器人研究領域的熱點之一。同時，隨著對于仿生機器魚的研究日益進步，機器魚所賦予的任務也隨之增多，對于機器魚核心芯片的處理速度的要求也越來越高。而以往的機器魚對芯片的處理速度與精度要求并不高，使得機器魚的執行動作并不盡如人意，由此在機器魚中應用具有并行性、高速性、靈活性的FPGA芯片已經成為必然，它也必將使得機器魚的研究更上一層樓。

 

1.系統硬件設計

本系統的硬件框圖如圖1，系統采用FPGA芯片為控制處理中心，紅外傳感器模塊負責傳回前方的通道信息，信息數據由FPGA芯片接收后，輸出PWM波控制舵機做出相對應的動作。整個魚體分為動作部分和魚頭，動作部分由三個舵機（兩個大舵機、一個小舵機）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，其系統集成度高，可操作性強，低功耗，十分適合機器魚這類小型機器魚的運作。利用其公司的開發軟件quartus II及其輔助開發軟件可以實現數據的高速傳輸、處理、編碼功能。在系統中，FPGA芯片作為主控部分，負責紅外傳感器信息接收、通信模塊的信息接收發送、舵機控制任務，如圖2所示。

 

1.2 紅外傳感器模塊

紅外傳感器是遠距離紅外傳感器PIR D205B，它是利用材料自發極化隨溫度變化的特征來探測紅外線的輻射，采用四靈敏元設計，抑制環境溫度變化產生的干擾，提高了信號輸出強度，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點，傳感器的工作更加穩定。

 

1.3 通信模塊、電源模塊

作為在水下獨立運作的平臺，電源和通信是十分重要的。通信采用nRF2401 2.4GHz無線收發芯片完成視頻數據及命令信息的無線傳輸。nRF2401是一款單片射頻收發芯片，工作在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，該芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶振和調制解調器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數都可以通過程序進行配置。考慮到系統的電源要求以及電池的可重復性利用，選擇用四節可充電電池作為電源模塊。選擇的類型是三洋愛樂普五號低放電充電池。

 

1.4 舵機模塊

機器魚舵機組是由三個舵機構成，分別采用futaba公司的futaba S3102（一號舵機）及futaba S3003（二號，三號舵機）。以魚體波函數為核心算法的機器魚魚體，在三個舵機的運作下完成相應動作，進而來實現仿生機器魚的游動。其中，FPGA通過所執行的程序計算出各個關節的轉動角度，以此產生十五位的不同占空比的PWM波，控制舵機旋轉，繼而控制“魚體”擺動[3]。

 

2.系統軟件設計

軟件體系的設計是系統研制的核心內容。其系統結構圖如圖3。

2.1 紅外模塊

如圖4所示，紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理后，通過數字傳感接口返回到機器魚主機機器魚即可利用紅外的返回信號來識別周圍環境的變化。

 

2.2 舵機模塊

標準的舵機有3條導線：電源線、地線和控制線，電源線和地線用于提供舵機內部的電機和控制電路需要的能源。而控制線輸入的是一個可調制的方波脈沖信號，一般周期在20ms（即頻率為50Hz）。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。兩者關系可如圖5所示。

 

3.結束語

本文介紹了基于紅外傳感器與FPGA技術設計的一種具有自主運動能力的仿生機器魚。其通過紅外傳感技術使機器魚具有了自主視覺功能，又通過FPGA技術精準輸出PWM波，提高了機器魚的智能度與動作靈活度。此設計為后續自主機器魚的開發提供了一定的幫助，相信隨著機器魚的開發加深，機器魚的研究與設計會更加智能化，功能也會越來越完備，并會為人類探索、發現海洋提供更多的幫助與便利。

 

參考文獻

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作者簡介：

篇7

P鍵詞：樹莓派；Arduino；人臉識別；WiFi

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.197

1 系統總體設計

移動式家庭服務機器人由樹莓派做中央處理器，Arduino mega2560為輔助控制單元，樹莓派主控臉部識別、OLED顯示、語音交互模塊、聲音功放模塊；Arduino mega2560負責六自由度機械手、溫濕度和有害氣體檢測、掃地機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，完成整個系統的運行和控制。通過樹莓派控制藍牙模塊和WIFI模塊，可以實現手機APP控制，系統總體設計框圖如圖1所示。

本設計以樹莓派中央處理器和Arduino芯片為數據處理和控制核心，采用藍牙通信，WiFi通信和手機APP遠程通信來控制，能夠實現清潔室內衛生，改善室內空氣質量，巡視室內安全情況以及實現語音控制、語音交流、人臉識別與追蹤等功能；通過樹莓派強大的網路功能通過互聯網獲取天氣、交通路況資訊等，并且通過喇叭把獲取的咨詢信息進行實時語音播報，以便提醒人們的穿衣指數和交通路況；同時還具有自主巡航的功能，機器人通過麥克拉姆輪和光電編碼電機配合實現全方位移動功能，利用攝像頭即可通過面部識別、安防監控，可以將識別的人臉信息通過微信、app、網頁實時反饋給用戶。

2 硬件電路設計

語音識別采用的語音控制模塊，能夠相對精準識別人的語音，將聲音信息轉換為數字信號送入樹莓派中央處理器進行識別來完成相應的功能； 人臉識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別和跟蹤功能，同時將圖像信息通過網絡送到用戶的手機app上顯示或在網頁上顯示，同時可以將采集到的圖像信息存儲在內存卡上，方便用戶在需要的時候查詢。

底盤采用Arduino mega2560控制光電編碼電機來驅動麥克拉姆輪來實現移動控制，能夠實現全方位運動，可以前進、橫移、斜行、旋轉等多種運動方式，非常適合在空間有限的室內移動，通過樹莓派發送的語音指令實現可以自主巡視運動，也可采用藍牙APP來操作其運行。

OLED來實現機器人的臉部表情，實現個性化和卡通化的設計，在語音互動的時候實現表情的變化，以便能更好的獲得用戶的喜愛和認可。

3 軟件設計

軟件設計主要采用Liunx嵌入式系統來實現綜合控制，采用多任務操作模式，程序模塊主要包括主程序、人臉識別和跟蹤子程序、語音識別子程序、機械手和底盤運動子程序及溫濕度和有害氣體檢測子程序。主程序流程圖如圖2所示，人臉識別和跟蹤子程序流程圖如圖3所示。

參考文獻：

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[2]柯博文.樹莓派實戰指南――完全掌握100個精彩案例[M].清華大學出版社，2015（06）.

篇8

【關鍵詞】人性化 設計 家用機器人

從小看機器人科幻電影，玩變形金剛，參加汽車模型制做和看機器人大賽，對機器人制作的強烈興趣和熱愛早已植入我內心。加之家用機器人設計屬于服務現代及未來家庭生活的重要項目，逐漸與人之間形成一種十分密切的關系，所以探討人性化引導下的家用機器人設計十分必要。

一、機器人概述

在汽車、核工業、采礦、石化等工業生產領域，較常使用機器人進行部分或全部的操作。通常機器人設計包括機械手、控制機構、作業對象、使用環境。隨著對機器人功能要求的增多，其已經由純粹的機械手臂、鏈桿結構轉變為形態多樣且運用仿生設計的可行走機器人。工業、軍用機器人造型簡單，類似于交通工具以及機器，特種機器人則造型多樣，例如，醫用口腔手術機器人類似于人的手臂，隨著科技的發展，其功能越來越多，設計越來越豐富。未來機器人涉及機械、電子，是我們所學的物理學、數學、計算機學、生物學、心理學等學科的綜合應用，是機械、電子、控制、檢測、通信和計算機知識的優化結合，所以機器人市場有充分的發展空間。

二、家用機器人

（一）分類

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

（二）存在問題

與工業用機器人相比，家用機器人在功能定義、范圍上都有著自身的特點，方便、服務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、看護照顧型、家用娛樂型、安全警衛型等，所以在具體設計時需要對其功能以及怎樣使其明白、接受、執行人類命令等進行有效考慮。

家用機器人的造型仍然沒有將親和力凸顯出來，會使人產生一種冷漠的感覺，所以在對家用機器人進行設計的時候需要有效了解人的心理接受程度以及各方面的喜好。

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

三、人性化引導下家用機器人設計

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

現代設計是科學與藝術以及技術與人性的有效結合，在科技的支撐下，設計的結構、性能較為良好，在藝術和人性的支撐下，設計的美感不斷增強。家用機器人屬于高科技發展的產物，其小型化、行動敏捷化、輕巧化等都離不開人性化的引導。在人性化指導下，家用機器人設計可以通過以下方式進行。首先利用形式要素的變化，例如色彩、裝飾、造型、材料等，使人們產生一種積極的情感體驗和心理感受。其中在色彩上，要使其在體現機器人高科技時代感的同時將家用親和性有效體現出來。冷暖要合理搭配，黑白灰也要協調應用，對此，可以有效參考日本、韓國等的家電產品設計，例如圖1中，在仿人型的造型設計中，使人有一種愉悅的感受。在造型設計上，通常可以有效運用仿動物、仿植物等自然要素，賦予人們一種親切感，從而避免出現排斥純機器的現象。其可愛的形態，會使人們較為容易接受。在材質上，最好使用質感和視覺感染力都較強的材料，要通過自然材料的運用和調整使其更具自然情趣，在情感上擁有共鳴。其次要在功能開發過程中使人、機、環境系統協調統一，操作宜人化，從而適應于人們的生理和精神需求。通過對家用機器人功能的有效拓展，家務清潔、家庭看護、休閑娛樂等功能都得以實現，操作也更加方便。再次可以在家用機器人設計過程中，有效運用更多語義符號、界面、以及標識的形象化和規范化，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，這樣可以使操作錯誤有效避免。除此之外，在人性化引導下，針對殘疾人的家用機器人設計，也將以人為本的原則有效體現出來。例如在德國，設計的家用機器人，可以方便盲人進行有效閱讀，這種家用機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。

中國逐漸進入老齡化社會，所以居家養老也很需要開發家庭機器人服務。為了使其更好地服務老年人，在設計過程中，首先確保其智能化，即擁有監督、提醒老年人做一些事情的功能，其次為了使老年人對其產生一種親切感，最好設計成仿人型的，最后為了避免家庭信息的外泄、經常出現故障等情境的出現，使且擁有必要的使用期限，要確保其安全、可靠性。

說：人民對美好生活的向往是我們的奮斗目標，機器人會帶給人們更美好的未來，智能家用機器人發展前景無限廣闊，靠我們新的一代努力學習拼搏奮斗，我們年輕人要創造更輝煌的世界。因此依據人性化原則進行家用機器人設計十分必要。

四、結語

好的設計在設計產品的過程中也十分注重人與人、人與產品關系以及人的生活方式的設計，人、機、環境、社會的互促共生關系已經成為一種趨勢，家用機器人的設計要充分尊重人性化原則，而我們有責任不斷探索科學知識，研究發展高端機器人技術，為家用服務。

篇9

關鍵詞：服務；機器人；控制；科技

1.引言

隨著社會的發展，科技水平的提高，機器人逐漸的走進我們的生活。生活中服務機器人備受人們喜愛。工廠巡檢機器人的面孔，餐廳有送餐機器人，并且在一些大型的場所（商場、酒店、會所）也可以看到服務機器人的身影。服務型機器人在當前的社會是備受歡迎的。在互聯網的時代下，機器人也可以受網絡的控制進而提升它的功能，因此本文提出基于網絡控制機器人設計思想。

2.總體方案的設計

本文提出利用網絡控制系統來對機器人進行控制操作。其具有兩種控制模式：一種是利用上位機的控制通過網絡對機器人進行控制，另一種是利用語音模塊通過語音識別算法來對機器人進行控制。而機器人的整體架構是基于總線控制思想進行設計的。

該控制系統架構采用設備、信息、控制三層總線控制模式，實現機器人控制系統功能設計，并利用相關的控制協議，分類、分級處理各種信息，滿足模塊化設計，簡化系統結構和功能配置需求。

3.系統控制的基本原理

利用Labview上位機運用TCP/IP協議，通過局域網與主芯片進行數據傳輸，主芯片通過485的通訊協議對子芯片通信，實現對機器人的控制。機器人還可以檢測當前環境信息，如溫度、濕度等，并通過語音播報或直觀的顯示在該界面上。通過上位機的語音輸入窗口，可以輸入文字，并發送給機器人系統，使得機器人在緊急情況下可以通過控制人員的控制而說出相應的語句。在上位機的界面上有測試數據的輸出窗口，可以得到下位機對上位機測試結果的反饋。

4.系統的軟硬件組成

4.1硬件組成

系統供電是利用12V電源通過穩壓芯片LM7805轉換為5V電源供電使用。按照DC/DC變換的原理來設計電路，其電路圖如圖3所示。

4.2軟件組成

根據機器人控制原理，軟件系統主要由主程序、語音辨識、電機驅動、傳感器程序四部分組成。主程序進行系統初始化，包括I/O口的輸入或輸出設定，語音辨識運行進行語音算法處理，電機驅動負責整個機器人的運動控制，傳感部分負責環境參數測量。

4.3語音識別算法

語音辨識算法是本設計的核心部分，通過對語音算法的改進，本機器人系統在人機交互功能上有明顯提升，更適合服務環境的應用。以下對機器人語音辨識算法進行分析。

4.3.1改進的維納濾波器算法

由于語音信號是隨機信號，若用一個固定的噪聲譜去估計先驗信噪比是不合理的。為解決這一問題，本文采用基于譜嫡及先驗信噪比估計的改進維納濾波器算法，此算法對帶噪語音信號通過譜墑進行端點檢測，并根據檢測結果對無聲段的噪聲功率譜進行動態更新，從而得到期望的先驗信噪比，提高除噪性能。改進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）預處理

輸入帶噪語音信號，將輸信號進行分幀與加窗處理，利用譜減法降低噪聲，以提高輸入語音信號的信噪比。在起始階段，算出前幀信號的噪聲功率譜，做為動態估算的初值。

（2）端點檢測

將噪音信號利用譜墑法進行端點檢測，記錄語音信號有聲段的起始點和結束點。該步從源頭上抑制噪聲對語音識別系統的干擾，降低噪聲對語音信號端點檢測的影響。端點檢測的閾值（Ts）可以通過下面的方法獲得，即：

式3中α是一個經驗值，通常情況下約等于1.25。如果檢測結果表明，當前的輸入語音幀是在有聲段，則進入圖4中的步驟（3），進一步對該幀信號進行降噪處理。如果檢測結果表明，當前輸入語音幀處于無聲段，則進入步驟（4），對該幀信號進行噪聲功率譜的動態更新。

（3）維納濾波降噪

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

（4）噪聲功率譜更新

將當前幀數據與上一幀無聲片段的數據進行加權處理，即

式4中，第一項是由當前幀數據估計的噪聲功率譜，并且是用于調整當前幀與前一幀功率譜加權時權重的調整因子。顯然，無聲片段噪聲功率譜的動態更新可通過上式的加權平均實現。

5.結論

本文提出的基于網絡控制的服務型機器人，在控制方法、語音辨識方面作了有益的設計和改進，更適合服務行業的特點，能更好發揮服務機器人的優勢，具有巨大社會和經濟價值。

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篇10

關鍵詞：機器人；彈跳運動；輪式移動；結構設計

0 引言

輪式移動機器人在空間探索、海洋開發、家庭應用等領域發揮著重要作用。在相對較為平坦的環境中，僅需要機器人有較為靈活的移動能力，而當遇到地形崎嶇、較大障礙物或溝渠時，一般的移動機器人的運動就會受到嚴重的限制。在復雜的環境中，如地震救災，機器人要有對地面較強的通過能力和對環境的適應能力。在實際的應用中，為了越過障礙物，要求機器人具有一定的跳躍能力[1～3]。

彈跳機器人可以輕而易舉的越過與自身尺寸相當的，甚至數倍于自身尺寸的障礙物或溝渠，因此更適合復雜和不可預測的環境[4]。但是，單純的機器人彈跳運動會消耗大量的能量，且元件的磨損程度會比較嚴重，而輪式移動可以適應相對較為平坦的地形。因此，將彈跳運動和輪式移動結合，針對不同的地形，選擇適合的運動方式，既可以節省能源，延長元件使用壽命，又可以使機器人的適用范圍更廣泛[5]。

本文構建了一個具有跳躍能力的輪式移動機器人，該機器人是在彈跳機器人MSU jumper[6]的基礎上進行了結構優化和運動方式的結合設計，采用仿生設計方法和3D打印的制造技術，實現電動彈跳與輪式集成機器人形小、質輕這一優化目標。

1復合機器人工作原理

1.1復合機器人結構組成

復合機器人結構，其彈跳機構由3部分組成：主體結構、傳動部分、壓縮釋放機構。主體部分由上腿，下腿、壓縮板和底板四部分組成，形成了六桿機構。壓縮和釋放機構套在傳動部分的輸出軸上，用以完成彈跳機構的壓縮和釋放動作。輪式移動部分整體是三輪式結構，包括兩個前輪、兩個直流減速電機和一個輔助支撐輪及其支架。同時，三輪式移動結構被選為彈跳機器人的移動平臺，實現平坦路面的輪式移動功能。

1.2復合機器人的工作原理

電動彈跳輪式移動復合機器人具有兩種運動方式：一種是彈跳運動方式；另一種是輪式移動方式。在工作執行開始時，機器人根據路況會進行運動方式的選擇，選擇情況如下：

（1）當是平坦路面時，機器人選擇輪式移動運動方式，彈跳機構保持初始狀態，通過機器人前輪驅動，使機器人到達工作目的地。

（2）當遇到較高障礙物時，機器人選擇彈跳運動方式。經過彈跳運動，機器人完成躍過障礙物任務，并執行接下來的任務，最終達到工作目的地。

2復合機器人的結構設計

電動彈跳輪式復合機器人的設計不僅要實現彈跳高度和運動方式良好結合性的目標，而且要實現機器人微型化和重量輕的目標。

2.1彈跳機構設計

彈跳機構的設計包括三部分：六桿蓄能機構設計、傳動部分設計和壓縮―釋放機構設計。為了簡化機器人的結構，機器人彈跳主體部分選擇六桿蓄能機構，而且四腿長度相等。六桿機構扭簧的壓縮初始角為75°，壓縮終止角為15°，壓縮量為60°，為了減輕機構的整體重量，六桿蓄能機構中的上腿、下腿、壓縮板和底板四部分均采用腹板―加強筋結構。傳動部分選擇現成的減速電機，將減速器和電機集成一體，這樣不僅能夠節省空間、提高效率，而且可以大大減輕機器人整體重量。減速電機的減速比為300，外置嚙合齒輪組的減速比為6，總減速比為1800。同樣為了減輕機器人的重量和簡化機器人的結構，將壓縮―釋放機構兩者設計為一體結構，下面主要介紹壓縮、釋放機構的結構和工作原理。

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

當六桿機構壓縮初始狀態時，插銷1與離合件2的溝槽側面接觸。壓縮開始后，在傳動機構的帶動下，插銷1帶動離合件做逆時針旋轉。離合機構旋轉180°后，離合件2的末端上升到最高點。此時，六桿機構處于最大程度壓縮狀態，離合件2和插銷1兩者之間處于自由狀態。當輸出軸繼續轉動微小角度后，離合件2在插銷1的微小干擾和魚線繩3的拉力作用下，迅速旋轉回到初始位置，從而使得彈跳機構釋放能量。

插銷1保證了離合件2的單向旋轉，離合件2達到最高點可以在魚線繩3的作用下短暫鎖定，離合件2的180°缺口保證了突然釋放。該機構改進MSU jumper的單向軸承，實現了單向軸承的功能，同時也減輕了機器人的重量。

2.2輪式移動結構設計

基于電動彈跳輪式復合機器人的穩定性和平衡性，機器人輪式移動部分整體設計成三輪結構。兩前輪采用各自驅動方式，方便機器人移動的調整和轉向，兩前輪由兩個直流減速電機驅動，車輪直接安裝在減速電機的D字輸出軸上。輔助支撐輪起平衡作用，維持機器人的穩定性。

3復合機器人試驗分析與改進

3.1試驗分析

圖3.1所示為一組機器人彈跳試驗結果圖，在無控制系統的狀態下，電源直接帶動機器人電機，進行彈跳和輪式移動試驗。機器人的整體重量為85g，彈跳最高高度為21cm，從壓縮開始到彈跳離地的時間為4s。試驗結果驗證了壓縮釋放機構設計和輪式移動與彈跳運動結合的可行性。

同時，機器人試驗結果也出現了諸多問題。彈跳結束后，機器人容易傾倒，無法恢復行走狀態；機器人行走時的重心不穩；能量利用率不高。當機器人釋放的過程中，能量會大量損失。

3.2復合機器人改進

基于上述分析，電動彈跳輪式復合機器人的上下兩部分的質量分配可以繼續優化。考慮到機器人重心不穩的問題，可以改變機器人輪式和彈跳機構的結合方式。因此，機器人可以做如下改進：

（1）選擇壓縮板作為機器人輪式移動平臺，使得機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）在機器人選擇輪式移動運動時，彈跳機構處于完全壓縮狀態，以提高機器人的穩定性。