机器人设计范文

导语：如何才能写好一篇机器人设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

可以攀爬楼梯，进入危险火场执行消防作业：排出浓烟、喷洒水雾降温、喷射水柱、泡沫灭火，甚至可以排除障碍，救出被困人员；这一段描述的不是科幻电影的场景，而是今天正在消防部队服役的真实的产品——消防机器人

消防机器人是一种用于消防作战的消防车辆，它可以经遥控进入消防员无法靠近的危险场所：如高温、浓烟、毒气、易爆等恶劣环境中进行消防作业，有效保护消防员的人身安全，提高了消防作战效率；其消防功能主要有：在远距离遥控模式下进入火灾现场向火场喷洒水雾，排除烟尘，喷射水柱或泡沫灭火等；它可以前后行进，原地自转，跨越障碍，翻陡坡、爬楼梯等灵活动作；消防机器人的诞生是科技与人性化产品设计理念的发展成果。

[缘起]

我们看到的这款由海伦哲企业生产销售，上海轱辘轩工业设计有限公司进行工业设计的产品在今年刚揭晓的2012年中国创新设计红星奖中摘得至尊金奖，评委对其功能化的产品设计语义形态给出很高的评价，这是对该产品在研发中导入工业设计，提升产品综合价值的肯定和鼓励。

关于消防机器人的设计故事是追溯到2011年10月，这家以创新精神闻名行业的企业实施了消防产品科研战略，其中一项目标是希望将其新研发的消防机器人能够以一种前卫的面貌打入市场，打破了现有消防产品的同质化状态，并以此构建优秀品质的企业产品形象体系。海伦哲企业委托轱辘轩工业设计团队为其新研发的消防机器人进行产品的全新概念设计；经过沟通，工业设计团队明确了海伦哲企业对该产品的工业设计要求：一种颠覆传统、全新面貌的消防机器人；并通过工业设计以及相关技术从外观形态、色彩视觉、人机工程以及材料工艺等全方面对产品优化，让消防作战变得更安全、更迅捷、更有效。

[设计前沟通学习]

轱辘轩对工业设计工作的理解是工业设计一定要融入企业产品研发体系，而不应当是所谓的技术外包，独自蒙头做方案，因为工业设计的每个细节必然会关乎生产企业内对应的生产环节或研发、销售部门；工业设计师的工作内容更恰当的说是以产品形态创新为目标的综合协调与策划。在工作开始之前，工业设计团队先深入企业生产车间，了解消防产品生产的一般流程，常用材料、工艺，同时不时的向一线生产人员请教各种疑问和即时的设想；同时，与研发人员沟通了解其功能原理以及模块组合关系，探讨各种变更的可能，明确可变动结构与不可变动的结构或布局；还与商务采购部门沟通关于产品选配的外购件的选用规则、价格区间、选配参数等。这些学习与沟通是后续设计工作沿着正确合理的方向进行的首要前提。

[趋向研究]

之后轱辘轩工业设计团队便开始了全面的研讨并付诸于设计实践，按轱辘轩的设计流程，首先要做的是产品趋向研究，关于产品趋向研究，主要是分析该类产品的现状与发展历史，尤其是其产品语义形态的发展历程，结合当下社会文化、经济环境等因素，探寻产品发展的趋向，推演产品的前沿状态。

相比一般产品，这类设备车辆产品的工业设计更多的是受到来自诸多国标的、行业的标准法规的限制，同时复杂多变且要求高可靠的的功能状态决定了一直以来造型与结构的高沿袭状态，这样以来看似留给工业设计师发挥的余地不是很多，但这不是平庸的理由，轱辘轩是相信产品是有灵魂的，产品的形态语言是可以传递出产品的内在灵魂的，而有生命力的产品往往是有着独特的内在品格和灵魂；在这一方面，产品灵魂的提炼更多的是以产品的社会角色、功能角色为整体对象，结合使用环境、社会环境对它的定义来探讨它“本来应该的样子”或我们称之为　“天籁之形”的最佳设想，这是自上而下的设计构思；另外一方面，是以产品内部构造为单元，探讨更多种“同样合理的可能”或“有没有更合理的可能”，这是自下而上的设计构思；两个方向的设计构思互相修正推演出更为出色的产品设计趋向。

从社会功能的角度定义，消防机器人应当是针对现代社会频发的火灾、化学泄漏甚至核事故等不适合抢险救援人员靠近的各类灾害救援，而不止是火灾；这样产品形态的功能语义就显得尤为重要，设计应当强化风筒、水炮、泡沫炮以及履带等功能形态，在此基础上还必须通过覆盖件的形态将各部件串联形成协调的整体；经过头脑风暴，最后趋向研究锁定了“双翼”的视觉联想概念：翼，本意为鸟类的翅膀，如今其通感意向已经更侧重如：

“飞翔”——飞机的侧翼；

“威力”——翼虎：添上翅膀的老虎；

“保护”——翼护：保护、佐助之意；

“神奇”——翼神：传说中巨大的神……

而这些通感意向与消防机器人的抢险救援功能特征趋于接近，经过与企业营销部门的沟通，该概念获得了初步认可；同时，工业设计团队与企业研发部门讨论确定了针对该概念调整优化的最新结构和布局，工业设计工作很快进入外观造型阶段。

篇2

机器人是自动执行工作的机器装置，可协助人类工作，以提高工作的精度和效率，在一些危险、恶劣、任务繁重的环境下，机器人更具有人类无可比拟的优势［1］。近年来，作为机器人发展的新阶段，移动机器人技术发展迅速，应用领域日益广泛。移动机器人的行进方式主要有轮式、腿式和履带式3种［2］。轮式结构行进速度最快，但其地形适应能力最差，只能在较平稳的地形环境下行走［3］;腿式结构具有很强的越障能力，可在各种地形环境下行走，但其行进速度较慢且控制复杂;履带式结构具有牵引性能好，不易打滑，地形适应能力强，但其质量较大，运动惯性大，振动较大，行进速度较慢。为适应复杂地形环境，机器人多采用轮履式、轮腿式或轮履腿式等复合移动机构，复合移动机器人平台在不同环境下可采用不同的行进策略，极大地提高了机器人的前进速度和地形适应能力，成为移动机器人发展的一个方向。文中提出了一种8轮腿式移动机器人平台。该平台在平整地形环境下采用轮式行进方式，在非平整地形环境下采用轮腿复合行进方式，具备较强的地形适应能力。文中针对该平台进行了结构设计和运动学分析，并对逆运动学分析结果进行了仿真验证。

18轮腿移动机器人平台设计

文中研究的移动机器人平台的工作环境是野外、非平整地形，要求机器人平台可上、下40°斜坡，并可实现坡上制动，具有一定的跨越台阶能力，并可调整起横滚角。为兼顾机器人平台的行进速度和越障能力，机器人平台采用轮腿复合式结构，该平台具有结构简单、控制容易及耗能较低等特点。

1．18轮腿移动机器人平台的整体结构设计8轮腿式移动机器人平台有8轮8腿，其结构前后左右分别对称，主要由机架1、前部轮腿系统2、后部轮腿系统3和驱动系统4构成，如图1所示。其中前部轮腿系统和后部轮腿系统在结构上完全相同，均由一个摆腿电机、一个张腿电机和一系列传动系统组成，主要实现机器人平台的摆腿和张腿两个动作，进而使机器人平台实现越障和保持平稳，机器人平台轮腿与轴之间的安装采用花键连接。驱动系统由左右2个电机构成，分别通过链传动带动其对应的一侧车轮转动，从而实现机器人平台的前进、后退和转向等动作。8个车轮均为驱动轮，车轮直径为200mm，正常行驶下采用轮式行进。当遇到高于轮子半径且低于250mm高的障碍时，通过前后腿协调摆动来实现越障;当遇到高于250mm的障碍时，可实现差速转向。轮腿之间的角度可以调节，进而调整机器人的横滚角，在遇到左右高度不同的地形时，可以通过调整轮腿之间的角度来保持机器人的平稳。

1．28轮腿移动机器人平台的轮腿系统设计机器人平台的轮腿系统由结构完全相同的前部轮腿系统和后部轮腿系统构成，主要完成机器人平台的腿部转动，结合车轮转动以实现平台越障和保持平稳。下面以前部轮腿系统为例来说明轮腿系统的结构特点，前部轮腿系统由4条轮腿、1根主轴、1根套轴、传动系统和2个电机组成，轮腿系统的结构简图如图3所示。机器人平台的轮腿系统主要有张合和摆腿两个运动，分别由2台电机带动。张合运动即主轴和套轴同速反向转动，由张腿电机控制;摆腿运动即主轴和套轴同速同向转动，由摆腿电机控制。2台电机相互配合，从而使轮腿系统实现2种动作。当机器人平台要做摆腿运动时，张腿电机不供电，主轴和套轴相对静止，摆腿电机转动，带动张腿电机、主轴和套轴同速同向转动，从而实现摆腿运动;当机器人平台要做张合腿运动时，摆腿电机不供电，从而使张腿电机相对于机器人平台保证静止，张腿电机转动，带动主轴和配置同速方向转动，从而实现腿的张合运动。

1．38轮腿移动机器人平台的驱动系统设计机器人平台的驱动系统由2台电机和两套链传动系统组成，左右对称，每个电机通过一套链传动系统带动一侧的4个车轮转动，通过2台电机的配合转动带动机器人平台实现前进、后退、转向等动作。其机构简图如图4所示。图4中，前大链轮和后大链轮为复合链轮，由3个单排链轮复合而成，复合链轮只套装在套轴上，可绕套轴自由转动且不受干涉，和套轴有相同的旋转中心线。机器人平台的驱动系统的传动过程为:首先驱动电机带动主动链轮转动，主动链轮再通过链条带动复合链轮转动，然后复合链轮通过链条再带动小链轮转动，进而带动了车轮转动，从而实现了一个电机带动轮腿末端的4个车轮转动。由于电机要通过链传动带动车轮正反转，为避免链条松动，添加张紧轮。

28轮腿移动机器人平台运动学分析

2．1建立坐标系机器人平台的位姿可用机器人平台上的某个参考点位姿表示，文中建立一系列坐标系来表示机器人平台的各个机构之间的移动和旋转关系［5］。依照直角坐标变换法，文中建立坐标系的准则为:X轴、Y轴与Z轴的建立按照右手法则，机器人平台的转向运动为绕Z轴旋转，俯仰运动为绕Y轴旋转，横滚运动为绕X轴旋转。由于机器人平台为对称式的结构，因此只建立机器人平台一侧各机构的坐标系即可。建立机器人平台右侧轮腿系统各机构坐标系如图5所示。坐标系O－XYZ表示机器人平台中心点的坐标系;坐标系A－X1Y1Z1，E－X5Y5Z5分别表示机器人平台的前轴中心点和后轴中心点的坐标系;坐标系B－X2Y2Z2，F－X6Y6Z6分别表示前后轴右侧端点的坐标系;坐标系C－X3Y3Z3，D－X4Y4Z4，G－X7Y7Z7，H－X8Y8Z8分别表示右侧4个车轮的转动轴中心点坐标系，坐标系之间的相对变化关系如表1所示［6］。ψ，φ，θ分别表示各机构在直角坐标系OXY中分别绕Z轴、Y轴、X轴的转角;α1，α2，α3分别表示机器人平台在大地坐标系中相对于水平面的偏转角、俯仰角和横滚角;α4，α5，α6，α7分别表示右侧4条轮腿相对于大地坐标系水平面的倾角。

2．2正运动学分析为了推导机器人平台运动学模型，做如下假设:(1)车轮与地面为点接触;(2)车轮与地面直接无相对滑动;(3)机器人平台整体、车轮与地面的接触点均为刚体。由表1推导的坐标变换关系，以右侧第3轮为例，推导车轮位姿参数与机器人平台上参考点位姿参数之间的关系［7］。

2．3逆运动学分析已知机器人平台参考点的位姿，求各个轮腿末端的位姿，即为运动学逆解。一般情况下，如若运动学正解唯一，则逆解不唯一，即在文中研究的情况下，已知工作平台参考点的位姿，则有多个轮腿末端位姿与之相对应。但由于机器人平台的结构特殊性，其左右两侧轮腿的相互制约，轮腿末端的位姿一般情况下不会有多个。但在机器人跨越高于一定高度的障碍时，机器人将会采取摆腿越障，这种情况下轮腿之间的制约因素就会被削弱，将会产生多个与机器人平台参考点相对应的位姿［8］。由正运动学结果可得。

2．4逆运动学分析结果验证为验证上述计算的正确性，用MATLAB软件中的二维绘图功能对运动学逆解的结果进行验证。初始参数设定为:［XPYPZP］T=［000］T，α2=0°，α6∈［26°，64°］。因为机器人平台轮腿系统的特殊构造，一侧腿张开另一侧腿就会同时合拢，两侧腿系统之间相互制约，为了避免产生干涉，取α6∈［26°，64°］。由机器人平台参数可知:L1=600mm，L7=345mm，L8=230mm，将上述参数代入式(7)可求得机器人右侧第3条轮腿末端位姿矩阵:［XYZ］T=［345－230cosα6，300，－230sinα6］T(8)利用MATLAB进行运算即可得到机器人平台轮腿末端运动轨迹，如图6所示。

篇3

我们设计的输电线路除冰机器人采用除冰杆敲击式除冰,不伤导线,安全有效,采用三手臂通过旋转伸缩动作进行越障,操作简单可行,结合辅助设备上下线装置进行上、下线安装,操作方便。除冰机器人主要分为机械系统和控制系统两部分。机械系统包括行走装置、除冰装置和越障装置3部分;控制系统包括主控模块、驱动模块、无线操作模块和状态信息反馈模块4部分。机器人通过前、后臂上的滚轮可沿导线行走;在越障时,中间手臂可夹紧导线保证机器人的稳定性和可靠性;前、后臂之间可相对移动调整间距;前、后臂各有1个移动和旋转自由度,结合中间手臂通过动作规划可以实现越障;除冰装置采用3个除冰杆从上方交替敲击的方式,以较小的能量消耗达到除冰的效果。控制系统的主控模块负责接收无线操作模块发出的指令,并将新指令传送给驱动模块;驱动模块接收到指令实时控制各电机的转动;无线操作模块负责将工作人员的控制信息直接发送给主控模块;状态信息反馈模块负责将机器人各部件的位置状态实时反馈给主控模块,为下一步动作提供状态信息。在实际操作中,除冰机器人通过地面遥控和程序自动控制相结合的方式实现作业。

2机械系统

2.1行走装置行走装置作为机器人前进的动力装置,需要保证机器人能够在导线上平稳快速前进。由于高压输电导线结构特殊,机器人采用滚动原理进行移动。行走装置主要包括电机、支撑轴承、行走轮、丝杆、导向杆、夹紧块、圆锥滚轮、支撑板等。行走装置与手臂外筒固定连接,行走电机驱动滚轮旋转带动整个机器前进,夹紧电机驱动夹紧块夹紧导线。设计结构图如图3所示。机器人前臂在进行越障时,重心会出现向前偏移,后臂可能向上抬升脱离导线,使机器人前臂出现一定程度的向下倾斜,可能无法顺利越障。后臂越障时,也会出现同样的现象。为了避免上述问题的发生,在行走装置上增加夹紧机构辅助越障。该机构的夹紧滚轮设计为上小下大的圆锥形,可以保证在夹紧导线时手臂不会向上抬升脱离导线。

2.2越障装置据前述可知,国内的除冰机器人很多都无法越障,大大影响机器人的实用性。机器人能否自主越障已成为除冰机器人结构设计的关键之一。本文中我们设计的机器人具有越障装置,能顺利越过绝缘子、线夹、防震锤和直线塔等一般物。越障装置包括行走箱、前后旋转伸缩手臂和中间夹紧手臂4个主要部件,各部件设计结构图如图4~图6所示。具体越障动作规划(前臂越绝缘子为例)为:(1)机器人中间手臂前进至极限位置。(2)前后臂同时收缩,中间臂抬升夹紧导线。(3)前臂升高,行走轮脱离导线。(4)前臂旋转180°,行走轮等偏离导线。(5)行走箱错动,前臂前进至障碍物另一侧。(6)前臂旋转180°,行走轮位于导线上方。(7)前臂收缩,行走轮等回落至导线上。此时前臂成功越障。后臂越障动作规划与前臂基本一致。

2.3除冰装置目前,国内可采用的机械除冰方式有敲击、冲击、铣削、切削、铲刮、振动等[1]33-34。本团队在实验室进行了敲击、铣削和切削3种方式的除冰实验,通过分析比较发现敲击除冰相对更安全有效。该除冰装置结构简单,原理是电机通过凸轮机构带动除冰杆上下运动,通过3个除冰杆从上方交替敲击覆冰的方式,以较小的能量消耗实现较好的除冰效果。设置的限位导轮,可以避免除冰杆损伤高压输电线。除冰装置通过滑块导轨机构与机器人手臂活动连接,设置的吸振弹簧和滑块配合,可始终使限位导轮压紧在高压输电线上,并可以吸收除冰杆敲击除冰时产生的振动能量,减小振动对机器人其他部件的影响,遇到带坡度的导线时,还能实时调整除冰装置相对手臂的高度,保证除冰效果。相对目前广泛使用的直流热力融冰技术,具有除冰效果明显、成本低、易操作的优点。除冰装置如图7所示。

2.4机器人仿真分析我们通过仿真分析以验证机器人能越障的可行性。用Pro/E进行三维建模,在ADAMS中按照预定的行走越障动作规划进行运动学仿真分析。这里以前臂跨越FR3型防震锤为例，机器人能否成功跨越防震锤有两个指标,一是越障时前臂横向(X轴)是否与防震锤发生碰撞;二是前臂纵向(Z轴)能否完全跨过防震锤。防震锤中心点坐标为(-309,190,-669),由图8可知越障时前臂中心距防震锤中心125mm,由于前臂最宽边130mm,防震锤直径57mm,故极限位置有31.5mm间隙,指标一满足;由图9可知前臂跨越距离为440mm,完全可以跨越防震锤,指标二满足。综上可知,除冰机器人能跨越障碍物。故机器人机构设计合理,越障动作规划可行。

2.5机器人上下线装置机器人顺利上线安装是进行除冰作业的前提。机器人约45kg,检修人员无法徒手携带机器人安全上下线安装,同时考虑到机器人出现故障时能够方便及时下线维修等要求,我们设计了该上下线装置,以解决除冰机器人的上下线安装问题。上下线装置包括固联滑轮、吊篮、提升绳、防晃绳、配重块等。固联滑轮是用“Z”形钢筋将两个滑轮固接,防止相对移动。在吊篮正下方添加配重块,上下线安装时可降低重心,更加平稳。该装置结构简单,功效明显。机器人上线动作规划如下:(1)将固联滑轮在导线上安装好,放下提升绳并系在吊篮上,同时在吊篮上系上防晃绳,将机器人前后手臂外转180°并放入吊篮。(2)缓慢提升吊篮至行走轮高于导线,机器人手臂内旋180°,使行走轮位于导线正上方。(3)缓慢放松提升绳让行走轮自动挂上导线,放下吊篮,线上人员适当调整,保证机器人初始状态,卸下滑轮,完成除冰机器人的上线工作。机器人下线原理与上线一样。采用上下线装置安装机器人,既方便快捷,又安全有效,是一种可行的除冰机器人上下线安装方式。野外现场除冰机器人上下线安装试验如图12所示。

3控制系统

高压输电线路除冰机器人主要采用人机结合、局部智能的控制方式[10]。机器人在高压输电线路上除冰时可以在3种状态下工作,即全手动、单流程自动以及多流程自动。操作人员根据实际需要可通过遥控键盘进行无间隙切换。控制系统的结构框图如图13所示,主要包括主控模块(MCU2)、无线操作模块(MCU1)、驱动模块、状态信息反馈模块等。机器人电源系统采用12V锂电池供电,具有体积小、容量大、质量轻、寿命长等优点。

3.1主控模块主控模块即主控制器模块,本系统采用AVR系列单片机Mega128,原理图如图14所示,包括程序下载接口、复位电路、以及时钟电路等。机器人主控模块主要负责接收无线操作模块发出的控制指令,根据除冰机器人动作规划,将处理后的新指令传送给驱动模块来控制电动机转动,以实现机器人各种动作。在主控制器得到发送过来的控制指令时,首先对该指令进行一次有效性判断,如果得到的指令存在误码或乱码,则舍弃该指令,以防止机器人发生错误动作。主控制器程序可以实现单流程自动、多流程自动以及所有流程全手动等工作模态无隙切换。其软件设计流程如图15所示。

3.2无线操作模块操作人员与机器人之间的通信全部由无线键盘发出,主要包括机器人工作方式选择、电机正反转状态控制、故障急停等。为方便控制电机的正、反转和停止3种状态,本系统选用单刀三掷开关,开关的每一个状态分别与电机的状态相对应。由于每个按键有3个挡位,需要单片机的两个I/O端口作为键值信息通道,系统共设计了16个按键,另外加上无线发射的引脚,因此至少需要单片机有34个独立引脚。系统选用AVR系列的单片机Mega128作为主控芯片,该芯片内部含有丰富的硬件资源,能够十分方便的与无线收发模块APC220进行通信。APC220模块是高度集成的半双工微功率无线数据传输模块,其嵌入了高速单片机和高性能射频芯片。采用高效的循环交织纠检错编码,抗干扰和灵敏度都大大提高,最大可以纠正24bits连续突发错误。与单片机的连接原理图如图16所示。为使无线键盘发射的性能更加稳定,系统在键盘信息之前加上了一个字节校验密码,只有当接受端得到了以该密码开头的信息才视为有效,否则机器人不接受该信息。实验表明,这种方法能让机器人安全可靠的工作,有效地降低了控制出错率。其软件设计流程如图17所示。

3.3电机驱动模块电机驱动模块采用Freescale公司的MC3386,该驱动可以同时驱动两个电机,最大驱动峰值电流可达6A,为得到更好的驱动性能,本系统将每个芯片上的两个通道并联在一起去驱动一个电机。使用该芯片可以方便地进行正、反转和刹车等控制,同时也可以使用脉冲宽度调制(PWM)对电机进行调速,机器人前后臂的升降旋转就运用了PWM进行调速。每个芯片使用单片机的两个I/O端口进行操作,实验表明使用MC33886作为除冰机器人的动力电机的驱动能够完成机器人的各种动作,性能良好。

3.4状态信息反馈模块当机器人在高空的高压输电线路上作业时,人眼无法看清楚,而机器人的每个动作必须在掌控中,因此机器人的每个动作是否完成必须有明确的反馈信息。本系统采用金属接近开关作为机器人行程信息反馈的传感器,当有金属靠近接近开关约2~3mm时,在电路作用下(图19),接近开关便向单片机发出一个高电平信号,当在其接触头2~3mm范围内没有金属时,接近开关向单片机发出一个低电平信号。TLP521是一个光耦合器件,使用该芯片的作用有两个:一是将12V的高电平转换为单片机能够读取的3~5V;二是起到光电隔离的作用,防止电机工作时对单片机的正常工作产生影响。实验效果表明,使用接近开关作为机器人状态反馈传感器能够准确的监控机器人的动作流程,为实现机器人自动除冰和越障提供了准确的反馈信息。

4结论

篇4

关键词：自闭症儿童；陪护机器人；情感特征；产品设计

检 索：.cn

中图分类号：TB472 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，国内外研究者对于自闭症陪护机器人进行了不同方面的研究探析，机器人技术的开发与应用为自闭症儿童社交技能的训练提供了新的研究方向，陪护机器人对于促进自闭症儿童的恢复治疗变得越来越重要。全球现有孤独症患者3500万，其中40%是儿童，中国孤独症患儿数达100多万，且呈逐年上升趋势。随着该群体的数量逐年增加，他们的特殊要求也逐渐凸显出来，对自闭症儿童陪护产品的相关设计也提出了更高的要求。陪护机器人在设计过程中，需关注自闭症儿童的情感特征、喜好倾向和心理需求，根据这些情感要素进行设计，通过产品外观的色彩、造型、产品的功能以及交互方面营造良好的氛围，使患儿产生亲切、轻松、愉悦、依赖等不同的心理情绪，并且要避免产品的色彩、造型给患儿带来失落、抑郁等负面的心理。使产品能够促进患儿注意力集中，激发患儿参与的兴趣，全面提升产品的使用体验。

二、自闭症儿童陪护机器人应用实例

国外应用于实践的机器人实例证实陪护机器人对于自闭症儿童治疗恢复起到有效的作用，大大改善其行为结果。目前较有代表性的自闭症陪护机器人有3款。

第一，Nao是一款功能丰富的人形机器人，可以拟人讲话、做出动作，并且可以识别出人的面部和语音，为自闭症儿童克服社交障碍提供了帮助。（图1）

第二，Milo机器人通过语音、动作可以与自闭症儿童产生交流互动，造型拟人可爱，可提供给患儿一定的社会互动过程，培养其正常的沟通能力。自闭症儿童通过使用Milo机器人，有利于其顺利地掌握沟通技能。（图2）

第三，Leka是一个能够移动的球形机器人。患儿可以在无人看护下单独与 Leka玩耍。Leka具有声、光、震动等功能，促进培养患儿对四周围的感知能力，使其得以发展良好的社交技能。（图3）

以上3款产品各具特色，其共同点是造型及行为方式亲和、拟人化，都具备语音、图画交流显示的载体，且肢体设计都能与患儿产生良好的互动，帮助患儿取得更好的疗效。以此做借鉴，引入设计实例中，并对产品的色彩选择、造型及动作交互作出更为详尽的设计。

三、自闭症儿童情感特征研究

为使陪护机器人能够为自闭症儿童带来亲切、轻松、愉悦的感觉，营造适宜、富有安全感的环境氛围，从以下几点情感特征分析出发，为设计增添有利依据。

（一）感知觉障碍：一些自闭症儿童对光、噪音、触觉或痛觉等感觉刺激反应特殊，有些表现为过度迟钝，有些则反应过度敏感。因此机器人的色彩、造型需选用处于中等程度的设计元素，避免极端反应。色彩设计中可以通过研究自闭症儿童的色彩偏好应用到产品中，造型应选择简洁、轻松的体态，以满足自闭症儿童的情感需求，促进其治疗效果。

（二）社会交往障碍：自闭症儿童难以对父母或其他亲人产生依恋感，也不能建立伙伴关系，导致感情和社会互动方面困难，不能与人产生正常的沟通互动。因此针对该人群的产品设计中需要加入图片交换沟通系统的应用模块，以帮助自闭症儿童更好地掌握沟通技能。

（三）兴趣和行为异常：自闭症儿童很少主动追求事物，难有兴趣爱好；有些自闭症儿童伴有自伤行为，甚至伤害他人，这种行为伴有持续性，需要来自家庭和看护者的持续照料。因此陪护机器人的造型设计上应注重其陪伴性、亲和性，增强一定的安全感氛围。

四、设计实例

通过实例及情感特征分析，明确了设计构思的方向：一款适合自闭症儿童情感特征的陪护机器人。将该群体特殊的色彩偏好以及其情感特征、精神需求融入到设计的色彩选择及造型呈现中，探讨其在自闭症儿童陪护机器人设计中的思路和方法。

（一）以改善感知觉障碍为目的的配色选择

色彩对大脑产生重要影响，对自闭症儿童的认知活动发挥着强有力的作用，首次正式研究自闭症群体颜色感知的美国研究者Ludlow发现，如果用颜色（蓝色和紫色等）镜片覆盖文本将提高自闭症儿童的阅读速度高达13%。国内曹漱芹等人采用对偶比较法针对4-6.5岁汉语自闭症幼儿进行的颜色偏好研究中，发现自闭症幼儿在总体上偏好冷色，其颜色偏好的顺序为：绿、蓝、红、紫、橙、黄，其颜色偏好顺序显著不同于普通幼儿。

基于以上色彩偏好研究结果，结合患儿情感特征分析，机器人应尽量避免过于艳丽、强烈的色彩，亦不能色彩过于单调，呆板。其色彩设计在视觉、心理因素上要充分满足患儿的特定需求，寻找有利于患儿身心发展的色彩，达到舒适、明快、整体的形象呈现。如此提高患儿的对机器人的色彩敏感度，使其感知觉障碍得以改善。该设计实例中，为符合自闭症儿童色彩偏好，选用低明度的蓝色、绿色和粉色与银白色搭配，简洁明快，色调偏冷，使患儿得以舒适的视觉体验。（图4）

（二）以改善社会交往障碍、兴趣和行为异常为目的的造型设计

为了改善自闭症儿童的社会交往障碍、兴趣和行为异常这些情感特征上的缺陷，那么在造型设计上应充分满足自闭症儿童的精神需求，提升机器人的形象吸引力和象征意义，以产生良好的交流互动。从机器人形象呈现、图片语音及动作的交互方式这三个方面对造型进行设计。

1.造型简洁亲和化

有研究表示，自闭症患儿之所以不愿意与外界交流，其中一个原因在于难以识别人类复杂的行为表情。但机器人没有太复杂的面部表情，自闭症儿童面对机器比面对人群时反应更为自然。因此，头部也采用简洁的形态并加以微笑的可爱表情，整体简化了机器人体态上的装饰，下身采用滚轮式移动方式，亦可降低制作成本，为自闭症儿童群体设计呈现出友好、亲和、简洁整体的小伙伴形象，以促进自闭症儿童更顺利地与机器人互动，逐步培养锻炼其沟通交流能力，该机器人造型方案如图5所示。

2.加强沟通互动能力的屏幕设计

根据2014年1月美国公布的《自闭症儿童、青少年的以循证为基础的实践》这一报告，图片交换沟通系统被列为有实证证实的、有效的循证实践之一。自闭症儿童在图片提示条件下对情绪的认知优于在语言提示条件下对情绪的认知，表明图片可以帮助他们理解情绪。因此设定陪护机 器人胸前的屏幕用来实施图片交换沟通系统，通过图片、视 觉符号和自然语言的刺激来帮助自闭症儿童更好地掌握沟通的技能，改善其社会交往障碍。

3.动作交互日常化

由于自闭症儿童面对机器人更为自然直接，陪护机器人的肢体动作设计尽量地满足动作种类丰富、能顺利地完成拥抱、手势舞蹈、举手等常见社交互动动作，为自闭症儿童带来情感关怀的同时，目的是培养促进自闭症儿童能在日常生活中与周围进行正常的社交互动，充分地改善其兴趣和行为上的异常，扩展患儿的情感世界及兴趣范围。

五、总结

自闭症儿童陪护机器人作为一种工业性产品，情感因素的考虑应作为设计的重点，方案中陪护机器人的设计从自闭症儿童的情感特征出发，并结合自闭症儿童的色彩、造型偏好需求设计了新的设计方案。设计中除了对机器人的色彩、造型上的考虑，还应该对其材质、动作实现的方式以及用户数据进行深入分析，开发出更加完善、科学的自闭症儿童陪护机器人。

参考文献：

[1]范晓壮.机器人用于自闭症谱系障碍儿童社交技能干预研究的综述[J].现代特殊教育（高教），2015（7）.

[2]陈东帆，李睿强，韩琨.人形机器人技术在孤独症儿童干预中的应用[J].中国康复理论与实践，2015（11）：1325-1328.

[3]王辉.自闭症儿童的心理行为特征及诊断与评估[J].现代特殊教育，2007（8）.

篇5

本文通过研究仿人机器人运动过程规划以及伺服电机控制的基本原理和方法, 给出了Biped型机器人设计的整体方案。所述的机器人采用基于STC89C52单片机的高精度伺服控制系统，减少了传统控制方法不稳定性对系统精度的影响。同时，选用了TR213高精度伺服电机，使机器人的运动机构在运行过程中协调、平稳。并通过单自由度调试、多自由度调试、运动过程规划等实验验证了系统的可行性，所设计的机械结构及控制方法真正地实现了Biped型机器人控制的高精度、高稳定性和智能化。 

1 整体结构设计 

根据仿人机器人的行走、前进、后退、重心偏移和上下楼梯等运动过程要求，Biped型机器人主要由机械结构、高精度伺服电机、伺服控制系统和驱动系统等部分组成。 

由于人体为左右对称结构，为了达到仿人运动的目的，Biped型机器人也采用相同的对称结构，如图1所示。 

以机器人行走过程中的右腿向前移动过程为例，在此过程中包括重心左移，右腿抬起前移，右腿放下和重心恢复四个阶段。为了实现动作要求，机器人需要踝关节、膝关节和髋关节6个自由度配合完成，其各关节的转动角度范围如表1所示。从表中可以看出，踝关节1、2可以通过转动完成整体结构重心沿y轴方向的移动控制，保持机器人在动作过程中的重心稳定；膝关节3、4和髋关节5、6通过配合转动改变机器人沿z轴方向的双脚高度以及双脚沿x轴方向的前后位置控制，实现机器人的动作要求；另外，双足机器人各个关节角的运动范围都大于人类各个关节角度的运动范围，可以满足模仿人类动作的关节角度范围要求。 

2 高精度伺服电机的转动控制 

Biped型机器人的各关节的位置采用TR213高精度伺服电机的转动进行驱动和控制，并由STC89C52单片机产生周期为20ms，脉宽为0.5ms-2.5ms的脉冲宽度调制（PWM）信号，该脉冲宽度与电机转动的偏转角度成正比，通过不同的脉冲输入宽度可精确地控制伺服电机的转动角度，其驱动分辨率达到1μs，角度分辨率可达0.09°，伺服电机的转动角度控制原理如图2所示。 

位于伺服电机内部的齿轮组将电机的转动速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大倍数后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度，其内部电路如图3所示。 

PWM信号进入信号解调芯片BA6688后将产生直流偏置电压信号，该信号和芯片内部5K电位器所产生的基准电压信号进行比较，将得到的脉冲进行展宽后输入至芯片BAL6686，芯片根据展宽后的脉冲信号驱动伺服电机转动，在此过程中，伺服电机的转动将带动电位器发生变化从而改变电压差的大小，直到压差为0时，伺服电机转动到指定位置后停止转动。另外，解调后的直流偏置电压通过与在电位器上得到反馈电压进行比较可得到正负电压差，BA6688将该电压差输送的PWM信号给电机驱动电路BAL6686以驱动伺服电机正反转。叠加在5K电位器上的另外一个信号Motor Back EMF信号将会使伺服电机产生一个反向电动势，通过和给定的基准电压进行比较可以改变伺服电机的转速，从而控制机器人的动作速度。 

3 伺服控制系统 

Biped型机器人的伺服电机控制主要是通过STC89C52单片机所产生的PWM信号来实现。由555定时器组成的振荡器作为时间基准信号，通过对其产生的脉冲信号进行计数来产生PWM脉冲信号，并由I/O口进行多路输出，输出后的信号经过整形处理，产生标准的PWM脉宽调制信号，以提高机器人动作的精度和稳定性。同时，STC89C52单片机上的FLASH为程序存储提供了足够的空间，还可以使用其串口和在线烧录功能与上位机进行通信来完成对多路伺服电机转动的控制。 

4 驱动系统 

为了使Biped型机器人具有足够的驱动能力，在设计中采用具有较大输出扭矩的TR213伺服电机，该电机的供电电压为4.8-7.2V，最大输出扭矩为13kg·cm，当其空载时电流很小，可以忽略不计，但当其动态负荷扭矩达到最大时驱动电流可达2A，但由于Biped型机器人的6个自由度一般不会全部同时工作在最大负荷状态下，根据测试表明，在正常情况下每个伺服电机的电流小于0.5A，因此，采用电流为10A的直流稳压电源为其供电，即可满足其驱动要求。伺服电机控制电路与伺服电机驱动电路采用分开供电模式，由7805稳压芯片为其提供稳定电压，以减小伺服电机电压波动对其造成的干扰，来提高控制精度。 

结语 

理论与实验表明，所设计的Biped型机器人具有控制精度高、稳定性好和结构简单等特点。通过高精度伺服电机和控制系统有效地减少了系统不稳定性对机器人运动过程造成的影响，为仿人机器人的开发和设计提供了一种比较理想的方法与解决方案。 

参考文献 

[1] 史耀强.双足机器人步行仿真与实验研究 [D].上海：上海交通大学，2008. 

篇6

【摘要】为了提高机器鱼研发的灵活性，在此提出一种基于FPGA的自主视觉机器鱼设计方案。该设计方案借助FPGA技术处理红外传感器返回的数据信息，并利用FPGA具有的并行性、高速性、灵活性等特点精准地控制舵机完成相应动作。该设计方案有很高的可行性，相比之下有更好的实时性和精准度。

 

【关键词】FPGA；机器鱼；红外传感器；自主视觉

随着仿生学、机器人学、流体力学和控制科学的不断融合与发展，仿生机器鱼的研制成为了机器人研究领域的热点之一。同时，随着对于仿生机器鱼的研究日益进步，机器鱼所赋予的任务也随之增多，对于机器鱼核心芯片的处理速度的要求也越来越高。而以往的机器鱼对芯片的处理速度与精度要求并不高，使得机器鱼的执行动作并不尽如人意，由此在机器鱼中应用具有并行性、高速性、灵活性的FPGA芯片已经成为必然，它也必将使得机器鱼的研究更上一层楼。

 

1.系统硬件设计

本系统的硬件框图如图1，系统采用FPGA芯片为控制处理中心，红外传感器模块负责传回前方的通道信息，信息数据由FPGA芯片接收后，输出PWM波控制舵机做出相对应的动作。整个鱼体分为动作部分和鱼头，动作部分由三个舵机（两个大舵机、一个小舵机）组成，鱼头主要是控制芯片、通信模块和电池电源部分组成。

 

1.1 FPGA模块

本方案使用的Altera公司的芯片EP1-C3T144c8，其系统集成度高，可操作性强，低功耗，十分适合机器鱼这类小型机器鱼的运作。利用其公司的开发软件quartus II及其辅助开发软件可以实现数据的高速传输、处理、编码功能。在系统中，FPGA芯片作为主控部分，负责红外传感器信息接收、通信模块的信息接收发送、舵机控制任务，如图2所示。

 

1.2 红外传感器模块

红外传感器是远距离红外传感器PIR D205B，它是利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外线的辐射，采用四灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了信号输出强度，增加了多方向灵敏度，兼有单元和双元热释电红外传感器的优点，传感器的工作更加稳定。

 

1.3 通信模块、电源模块

作为在水下独立运作的平台，电源和通信是十分重要的。通信采用nRF2401 2.4GHz无线收发芯片完成视频数据及命令信息的无线传输。nRF2401是一款单片射频收发芯片，工作在2.4GHz～2.5GHz ISM频段，该芯片内置频率合成器、功率放大器、晶振和调制解调器等功能模块，其输出功率和通信频道等参数都可以通过程序进行配置。考虑到系统的电源要求以及电池的可重复性利用，选择用四节可充电电池作为电源模块。选择的类型是三洋爱乐普五号低放电充电池。

 

1.4 舵机模块

机器鱼舵机组是由三个舵机构成，分别采用futaba公司的futaba S3102（一号舵机）及futaba S3003（二号，三号舵机）。以鱼体波函数为核心算法的机器鱼鱼体，在三个舵机的运作下完成相应动作，进而来实现仿生机器鱼的游动。其中，FPGA通过所执行的程序计算出各个关节的转动角度，以此产生十五位的不同占空比的PWM波，控制舵机旋转，继而控制“鱼体”摆动[3]。

 

2.系统软件设计

软件体系的设计是系统研制的核心内容。其系统结构图如图3。

2.1 红外模块

如图4所示，红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理后，通过数字传感接口返回到机器鱼主机机器鱼即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。

 

2.2 舵机模块

标准的舵机有3条导线：电源线、地线和控制线，电源线和地线用于提供舵机内部的电机和控制电路需要的能源。而控制线输入的是一个可调制的方波脉冲信号，一般周期在20ms（即频率为50Hz）。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，度变化与脉冲宽度的变化成正比[4]。两者关系可如图5所示。

 

3.结束语

本文介绍了基于红外传感器与FPGA技术设计的一种具有自主运动能力的仿生机器鱼。其通过红外传感技术使机器鱼具有了自主视觉功能，又通过FPGA技术精准输出PWM波，提高了机器鱼的智能度与动作灵活度。此设计为后续自主机器鱼的开发提供了一定的帮助，相信随着机器鱼的开发加深，机器鱼的研究与设计会更加智能化，功能也会越来越完备，并会为人类探索、发现海洋提供更多的帮助与便利。

 

参考文献

[1]周志强，王志良，张雪元，黄海欢.仿生机器鱼的设计及其运动控制研究[J].微计算机信息[J].（嵌入式与SOC）2006，22（6-2卷）.

[2]万少云，向强.基于TMS320F2812的自主视觉机器鱼控制系统设计[J].西南民族大学学报自然科学版，2011（37）.

[3]赵康，丁勇，蒋玉莲.基于802.11b与安卓手机操控机器鱼的研究[J].电子元器件应用，2012，14（7）.

[4]骆涵秀，李世伦，朱捷.机电控制[M].杭州：浙江大学出版社，1994：31-63.

作者简介：

篇7

P键词：树莓派；Arduino；人脸识别；WiFi

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.197

1 系统总体设计

移动式家庭服务机器人由树莓派做中央处理器，Arduino mega2560为辅助控制单元，树莓派主控脸部识别、OLED显示、语音交互模块、声音功放模块；Arduino mega2560负责六自由度机械手、温湿度和有害气体检测、扫地机器人和麦克拉姆轮底盘控制，Arduino mega2560将采集到的控制信息送给树莓派，完成整个系统的运行和控制。通过树莓派控制蓝牙模块和WIFI模块，可以实现手机APP控制，系统总体设计框图如图1所示。

本设计以树莓派中央处理器和Arduino芯片为数据处理和控制核心，采用蓝牙通信，WiFi通信和手机APP远程通信来控制，能够实现清洁室内卫生，改善室内空气质量，巡视室内安全情况以及实现语音控制、语音交流、人脸识别与追踪等功能；通过树莓派强大的网路功能通过互联网获取天气、交通路况资讯等，并且通过喇叭把获取的咨询信息进行实时语音播报，以便提醒人们的穿衣指数和交通路况；同时还具有自主巡航的功能，机器人通过麦克拉姆轮和光电编码电机配合实现全方位移动功能，利用摄像头即可通过面部识别、安防监控，可以将识别的人脸信息通过微信、app、网页实时反馈给用户。

2 硬件电路设计

语音识别采用的语音控制模块，能够相对精准识别人的语音，将声音信息转换为数字信号送入树莓派中央处理器进行识别来完成相应的功能； 人脸识别模块采用高清摄像头采集图像信息，将采集到的信息送入树莓派来完成人脸识别和跟踪功能，同时将图像信息通过网络送到用户的手机app上显示或在网页上显示，同时可以将采集到的图像信息存储在内存卡上，方便用户在需要的时候查询。

底盘采用Arduino mega2560控制光电编码电机来驱动麦克拉姆轮来实现移动控制，能够实现全方位运动，可以前进、横移、斜行、旋转等多种运动方式，非常适合在空间有限的室内移动，通过树莓派发送的语音指令实现可以自主巡视运动，也可采用蓝牙APP来操作其运行。

OLED来实现机器人的脸部表情，实现个性化和卡通化的设计，在语音互动的时候实现表情的变化，以便能更好的获得用户的喜爱和认可。

3 软件设计

软件设计主要采用Liunx嵌入式系统来实现综合控制，采用多任务操作模式，程序模块主要包括主程序、人脸识别和跟踪子程序、语音识别子程序、机械手和底盘运动子程序及温湿度和有害气体检测子程序。主程序流程图如图2所示，人脸识别和跟踪子程序流程图如图3所示。

参考文献：

[1]Charies Bell著，张佳进，陈立畅，等译.学Arduino和树莓派玩转传感器网络[M].人民邮电出版社，2015（04）.

[2]柯博文.树莓派实战指南――完全掌握100个精彩案例[M].清华大学出版社，2015（06）.

篇8

【关键词】人性化 设计 家用机器人

从小看机器人科幻电影，玩变形金刚，参加汽车模型制做和看机器人大赛，对机器人制作的强烈兴趣和热爱早已植入我内心。加之家用机器人设计属于服务现代及未来家庭生活的重要项目，逐渐与人之间形成一种十分密切的关系，所以探讨人性化引导下的家用机器人设计十分必要。

一、机器人概述

在汽车、核工业、采矿、石化等工业生产领域，较常使用机器人进行部分或全部的操作。通常机器人设计包括机械手、控制机构、作业对象、使用环境。随着对机器人功能要求的增多，其已经由纯粹的机械手臂、链杆结构转变为形态多样且运用仿生设计的可行走机器人。工业、军用机器人造型简单，类似于交通工具以及机器，特种机器人则造型多样，例如，医用口腔手术机器人类似于人的手臂，随着科技的发展，其功能越来越多，设计越来越丰富。未来机器人涉及机械、电子，是我们所学的物理学、数学、计算机学、生物学、心理学等学科的综合应用，是机械、电子、控制、检测、通信和计算机知识的优化结合，所以机器人市场有充分的发展空间。

二、家用机器人

（一）分类

在科技发展过程中各种服务型机器人应用而生，成为人们家庭生活的重要组成部分，并以其多样化的服务改变着人们的生活工作方式。其中仿动物型、仿人型、类人型、仿植物型都是家用机器人的主要类型。

（二）存在问题

与工业用机器人相比，家用机器人在功能定义、范围上都有着自身的特点，方便、服务人类家庭生活是其主要目的，按其功能可以分为清洁型、家电管理型、看护照顾型、家用娱乐型、安全警卫型等，所以在具体设计时需要对其功能以及怎样使其明白、接受、执行人类命令等进行有效考虑。

家用机器人的造型仍然没有将亲和力凸显出来，会使人产生一种冷漠的感觉，所以在对家用机器人进行设计的时候需要有效了解人的心理接受程度以及各方面的喜好。

家用机器人在本质上是一种人造机器，所选择的材料也大多为工业以及军用的金属、塑料材料。而其所使用的金属材料会给人一种冰冷的感觉，塑料会给人一种木讷的感觉，所以在亲和力方面会有一种欠缺。

三、人性化引导下家用机器人设计

在满足物质需求的前提下，重视精神以及情感需要是人性化设计所追求的，以人为中心是其核心，即人是其设计制造过程中应该考虑的第一要素。人性化追求产品设计的趣味和娱乐性，满足人们幽默、愉悦的心理需求，追求深入人心的设计，尤其对于残疾人倾注了更多的热情，同时也追求与人体结构相适应的造型形式。

现代设计是科学与艺术以及技术与人性的有效结合，在科技的支撑下，设计的结构、性能较为良好，在艺术和人性的支撑下，设计的美感不断增强。家用机器人属于高科技发展的产物，其小型化、行动敏捷化、轻巧化等都离不开人性化的引导。在人性化指导下，家用机器人设计可以通过以下方式进行。首先利用形式要素的变化，例如色彩、装饰、造型、材料等，使人们产生一种积极的情感体验和心理感受。其中在色彩上，要使其在体现机器人高科技时代感的同时将家用亲和性有效体现出来。冷暖要合理搭配，黑白灰也要协调应用，对此，可以有效参考日本、韩国等的家电产品设计，例如图1中，在仿人型的造型设计中，使人有一种愉悦的感受。在造型设计上，通常可以有效运用仿动物、仿植物等自然要素，赋予人们一种亲切感，从而避免出现排斥纯机器的现象。其可爱的形态，会使人们较为容易接受。在材质上，最好使用质感和视觉感染力都较强的材料，要通过自然材料的运用和调整使其更具自然情趣，在情感上拥有共鸣。其次要在功能开发过程中使人、机、环境系统协调统一，操作宜人化，从而适应于人们的生理和精神需求。通过对家用机器人功能的有效拓展，家务清洁、家庭看护、休闲娱乐等功能都得以实现，操作也更加方便。再次可以在家用机器人设计过程中，有效运用更多语义符号、界面、以及标识的形象化和规范化，使得效率得以提升，并将亲切温馨的感觉以及人道主义真情都有效凸显出来，这样可以使操作错误有效避免。除此之外，在人性化引导下，针对残疾人的家用机器人设计，也将以人为本的原则有效体现出来。例如在德国，设计的家用机器人，可以方便盲人进行有效阅读，这种家用机器人其外形小巧轻便，只要用手拿着即可阅读，可以有效防止心理障碍的出现。

中国逐渐进入老龄化社会，所以居家养老也很需要开发家庭机器人服务。为了使其更好地服务老年人，在设计过程中，首先确保其智能化，即拥有监督、提醒老年人做一些事情的功能，其次为了使老年人对其产生一种亲切感，最好设计成仿人型的，最后为了避免家庭信息的外泄、经常出现故障等情境的出现，使且拥有必要的使用期限，要确保其安全、可靠性。

说：人民对美好生活的向往是我们的奋斗目标，机器人会带给人们更美好的未来，智能家用机器人发展前景无限广阔，靠我们新的一代努力学习拼搏奋斗，我们年轻人要创造更辉煌的世界。因此依据人性化原则进行家用机器人设计十分必要。

四、结语

好的设计在设计产品的过程中也十分注重人与人、人与产品关系以及人的生活方式的设计，人、机、环境、社会的互促共生关系已经成为一种趋势，家用机器人的设计要充分尊重人性化原则，而我们有责任不断探索科学知识，研究发展高端机器人技术，为家用服务。

篇9

关键词：服务；机器人；控制；科技

1.引言

随着社会的发展，科技水平的提高，机器人逐渐的走进我们的生活。生活中服务机器人备受人们喜爱。工厂巡检机器人的面孔，餐厅有送餐机器人，并且在一些大型的场所（商场、酒店、会所）也可以看到服务机器人的身影。服务型机器人在当前的社会是备受欢迎的。在互联网的时代下，机器人也可以受网络的控制进而提升它的功能，因此本文提出基于网络控制机器人设计思想。

2.总体方案的设计

本文提出利用网络控制系统来对机器人进行控制操作。其具有两种控制模式：一种是利用上位机的控制通过网络对机器人进行控制，另一种是利用语音模块通过语音识别算法来对机器人进行控制。而机器人的整体架构是基于总线控制思想进行设计的。

该控制系统架构采用设备、信息、控制三层总线控制模式，实现机器人控制系统功能设计，并利用相关的控制协议，分类、分级处理各种信息，满足模块化设计，简化系统结构和功能配置需求。

3.系统控制的基本原理

利用Labview上位机运用TCP/IP协议，通过局域网与主芯片进行数据传输，主芯片通过485的通讯协议对子芯片通信，实现对机器人的控制。机器人还可以检测当前环境信息，如温度、湿度等，并通过语音播报或直观的显示在该界面上。通过上位机的语音输入窗口，可以输入文字，并发送给机器人系统，使得机器人在紧急情况下可以通过控制人员的控制而说出相应的语句。在上位机的界面上有测试数据的输出窗口，可以得到下位机对上位机测试结果的反馈。

4.系统的软硬件组成

4.1硬件组成

系统供电是利用12V电源通过稳压芯片LM7805转换为5V电源供电使用。按照DC/DC变换的原理来设计电路，其电路图如图3所示。

4.2软件组成

根据机器人控制原理，软件系统主要由主程序、语音辨识、电机驱动、传感器程序四部分组成。主程序进行系统初始化，包括I/O口的输入或输出设定，语音辨识运行进行语音算法处理，电机驱动负责整个机器人的运动控制，传感部分负责环境参数测量。

4.3语音识别算法

语音辨识算法是本设计的核心部分，通过对语音算法的改进，本机器人系统在人机交互功能上有明显提升，更适合服务环境的应用。以下对机器人语音辨识算法进行分析。

4.3.1改进的维纳滤波器算法

由于语音信号是随机信号，若用一个固定的噪声谱去估计先验信噪比是不合理的。为解决这一问题，本文采用基于谱嫡及先验信噪比估计的改进维纳滤波器算法，此算法对带噪语音信号通过谱墒进行端点检测，并根据检测结果对无声段的噪声功率谱进行动态更新，从而得到期望的先验信噪比，提高除噪性能。改进维纳滤波器的算法流程图如图4所示。

4.3.2算法步骤描述

（1）预处理

输入带噪语音信号，将输信号进行分帧与加窗处理，利用谱减法降低噪声，以提高输入语音信号的信噪比。在起始阶段，算出前帧信号的噪声功率谱，做为动态估算的初值。

（2）端点检测

将噪音信号利用谱墒法进行端点检测，记录语音信号有声段的起始点和结束点。该步从源头上抑制噪声对语音识别系统的干扰，降低噪声对语音信号端点检测的影响。端点检测的阈值（Ts）可以通过下面的方法获得，即：

式3中α是一个经验值，通常情况下约等于1.25。如果检测结果表明，当前的输入语音帧是在有声段，则进入图4中的步骤（3），进一步对该帧信号进行降噪处理。如果检测结果表明，当前输入语音帧处于无声段，则进入步骤（4），对该帧信号进行噪声功率谱的动态更新。

（3）维纳滤波降噪

先估算当前帧的先验信噪比，再通过公式计算维纳滤波器的增益。然后将当前帧的功率谱乘以滤波器增益。即输出降噪后的语音信号，可通过降噪后的语音信号功率谱通过傅里叶逆变换得到。

（4）噪声功率谱更新

将当前帧数据与上一帧无声片段的数据进行加权处理，即

式4中，第一项是由当前帧数据估计的噪声功率谱，并且是用于调整当前帧与前一帧功率谱加权时权重的调整因子。显然，无声片段噪声功率谱的动态更新可通过上式的加权平均实现。

5.结论

本文提出的基于网络控制的服务型机器人，在控制方法、语音辨识方面作了有益的设计和改进，更适合服务行业的特点，能更好发挥服务机器人的优势，具有巨大社会和经济价值。

参考文献：

[1].黄敦华，李勇，薛梅.校园内导游服务型自主移动机器人设计与实现[J].制造业自动化，2010，38（12）.13-16

[2].刘海滨.鲁棒性语音识别的特征提取与模型自适应算法研究[D].东南大学博士学位论文，2004.

[3].徐玉华，张崇巍，徐海琴.基于激光测距仪的移动机器人新方法[J].机器人，2010，32（2）.25-28

篇10

关键词：机器人；弹跳运动；轮式移动；结构设计

0 引言

轮式移动机器人在空间探索、海洋开发、家庭应用等领域发挥着重要作用。在相对较为平坦的环境中，仅需要机器人有较为灵活的移动能力，而当遇到地形崎岖、较大障碍物或沟渠时，一般的移动机器人的运动就会受到严重的限制。在复杂的环境中，如地震救灾，机器人要有对地面较强的通过能力和对环境的适应能力。在实际的应用中，为了越过障碍物，要求机器人具有一定的跳跃能力[1～3]。

弹跳机器人可以轻而易举的越过与自身尺寸相当的，甚至数倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，因此更适合复杂和不可预测的环境[4]。但是，单纯的机器人弹跳运动会消耗大量的能量，且元件的磨损程度会比较严重，而轮式移动可以适应相对较为平坦的地形。因此，将弹跳运动和轮式移动结合，针对不同的地形，选择适合的运动方式，既可以节省能源，延长元件使用寿命，又可以使机器人的适用范围更广泛[5]。

本文构建了一个具有跳跃能力的轮式移动机器人，该机器人是在弹跳机器人MSU jumper[6]的基础上进行了结构优化和运动方式的结合设计，采用仿生设计方法和3D打印的制造技术，实现电动弹跳与轮式集成机器人形小、质轻这一优化目标。

1复合机器人工作原理

1.1复合机器人结构组成

复合机器人结构，其弹跳机构由3部分组成：主体结构、传动部分、压缩释放机构。主体部分由上腿，下腿、压缩板和底板四部分组成，形成了六杆机构。压缩和释放机构套在传动部分的输出轴上，用以完成弹跳机构的压缩和释放动作。轮式移动部分整体是三轮式结构，包括两个前轮、两个直流减速电机和一个辅助支撑轮及其支架。同时，三轮式移动结构被选为弹跳机器人的移动平台，实现平坦路面的轮式移动功能。

1.2复合机器人的工作原理

电动弹跳轮式移动复合机器人具有两种运动方式：一种是弹跳运动方式；另一种是轮式移动方式。在工作执行开始时，机器人根据路况会进行运动方式的选择，选择情况如下：

（1）当是平坦路面时，机器人选择轮式移动运动方式，弹跳机构保持初始状态，通过机器人前轮驱动，使机器人到达工作目的地。

（2）当遇到较高障碍物时，机器人选择弹跳运动方式。经过弹跳运动，机器人完成跃过障碍物任务，并执行接下来的任务，最终达到工作目的地。

2复合机器人的结构设计

电动弹跳轮式复合机器人的设计不仅要实现弹跳高度和运动方式良好结合性的目标，而且要实现机器人微型化和重量轻的目标。

2.1弹跳机构设计

弹跳机构的设计包括三部分：六杆蓄能机构设计、传动部分设计和压缩―释放机构设计。为了简化机器人的结构，机器人弹跳主体部分选择六杆蓄能机构，而且四腿长度相等。六杆机构扭簧的压缩初始角为75°，压缩终止角为15°，压缩量为60°，为了减轻机构的整体重量，六杆蓄能机构中的上腿、下腿、压缩板和底板四部分均采用腹板―加强筋结构。传动部分选择现成的减速电机，将减速器和电机集成一体，这样不仅能够节省空间、提高效率，而且可以大大减轻机器人整体重量。减速电机的减速比为300，外置啮合齿轮组的减速比为6，总减速比为1800。同样为了减轻机器人的重量和简化机器人的结构，将压缩―释放机构两者设计为一体结构，下面主要介绍压缩、释放机构的结构和工作原理。

图1所示为压缩释放机构工作原理图，该结构由离合件、插销和鱼线绳三部分组成。插销1安装于传动机构的输出轴，其伸出部分位于离合件2的180°槽内，离合件安装于输出轴上，离合件的内孔和输出轴之间采用间隙配合方式。

当六杆机构压缩初始状态时，插销1与离合件2的沟槽侧面接触。压缩开始后，在传动机构的带动下，插销1带动离合件做逆时针旋转。离合机构旋转180°后，离合件2的末端上升到最高点。此时，六杆机构处于最大程度压缩状态，离合件2和插销1两者之间处于自由状态。当输出轴继续转动微小角度后，离合件2在插销1的微小干扰和鱼线绳3的拉力作用下，迅速旋转回到初始位置，从而使得弹跳机构释放能量。

插销1保证了离合件2的单向旋转，离合件2达到最高点可以在鱼线绳3的作用下短暂锁定，离合件2的180°缺口保证了突然释放。该机构改进MSU jumper的单向轴承，实现了单向轴承的功能，同时也减轻了机器人的重量。

2.2轮式移动结构设计

基于电动弹跳轮式复合机器人的稳定性和平衡性，机器人轮式移动部分整体设计成三轮结构。两前轮采用各自驱动方式，方便机器人移动的调整和转向，两前轮由两个直流减速电机驱动，车轮直接安装在减速电机的D字输出轴上。辅助支撑轮起平衡作用，维持机器人的稳定性。

3复合机器人试验分析与改进

3.1试验分析

图3.1所示为一组机器人弹跳试验结果图，在无控制系统的状态下，电源直接带动机器人电机，进行弹跳和轮式移动试验。机器人的整体重量为85g，弹跳最高高度为21cm，从压缩开始到弹跳离地的时间为4s。试验结果验证了压缩释放机构设计和轮式移动与弹跳运动结合的可行性。

同时，机器人试验结果也出现了诸多问题。弹跳结束后，机器人容易倾倒，无法恢复行走状态；机器人行走时的重心不稳；能量利用率不高。当机器人释放的过程中，能量会大量损失。

3.2复合机器人改进

基于上述分析，电动弹跳轮式复合机器人的上下两部分的质量分配可以继续优化。考虑到机器人重心不稳的问题，可以改变机器人轮式和弹跳机构的结合方式。因此，机器人可以做如下改进：

（1）选择压缩板作为机器人轮式移动平台，使得机器人上半部分分配更多重量，以减少跳跃过程的能力损失。

（2）在机器人选择轮式移动运动时，弹跳机构处于完全压缩状态，以提高机器人的稳定性。