機(jī)器人設(shè)計(jì)論文

1、 旅游區(qū)清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要：這個(gè)機(jī)器人是針對(duì)旅游區(qū)山坡、懸崖邊上的垃圾清理工作而設(shè)計(jì)的，利用氫氣球飛行作為其活動(dòng)方式是這個(gè)機(jī)器人最大的特點(diǎn)。機(jī)器人先由人工控制飛行到垃圾所在地，再通過(guò)視頻識(shí)別系統(tǒng)在有限范圍內(nèi)對(duì)垃圾做出識(shí)別，然后通過(guò)自動(dòng)飛行系統(tǒng)移動(dòng)到目標(biāo)前面，再通過(guò)機(jī)械手取出垃圾，收集在垃圾儲(chǔ)存箱里面，從而達(dá)到環(huán)衛(wèi)清理的工作目的。關(guān)鍵詞：垃圾清理、氣球飛行、山坡作業(yè)、視頻識(shí)別、機(jī)械臂操作設(shè)計(jì)背景：去黃山、鼎湖山、峨眉山等風(fēng)景地區(qū)旅游的人們大概都會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于山路崎嶇陡峭山上不能做到每一處都放置有垃圾箱，有一些素質(zhì)不高的旅客往往習(xí)慣性地將手中的垃圾扔到路邊、山下。這些垃圾飄散各處，或者掛在樹(shù)梢上，或

2、者堆在草叢中，形成難看的斑點(diǎn)，嚴(yán)重破壞了風(fēng)景區(qū)的秀麗景色。雖然路邊的垃圾是很容易清理的，但是有一些掉到陡峭的山坡、山崖上的垃圾卻十分難清理了，用鉤子、竹竿等工具鉤，往往不夠長(zhǎng)。如果派人下去清理，那么高那么陡峭的山坡又是十分危險(xiǎn)的，同時(shí)也必然耗費(fèi)更多的人力成本。所以在這里我想設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于清理風(fēng)景區(qū)山崖、陡坡等難到達(dá)處的垃圾的環(huán)衛(wèi)機(jī)器人。設(shè)計(jì)思路：這個(gè)機(jī)器人，是針對(duì)山崖陡坡的垃圾清理而設(shè)計(jì)的，由于特殊的使用環(huán)境，機(jī)器人的活動(dòng)方式既不能采用車(chē)輪、也不能采用機(jī)械腿的行進(jìn)方式在山崖上活動(dòng)，我設(shè)想讓這個(gè)機(jī)器人用氦氣球飛行的方式活動(dòng)（這也是這個(gè)機(jī)器人的最大特色之處），這種活動(dòng)方式可以使機(jī)器人輕松到達(dá)山崖

3、大部分位置。由于這個(gè)機(jī)器人是用氦氣球飛行作為活動(dòng)方式的，所以盡量減輕其自身重量是非常重要的，因此這個(gè)機(jī)器人將使用電力驅(qū)動(dòng)。然后通過(guò)視頻識(shí)別器識(shí)別要清理垃圾，最后通過(guò)3個(gè)紅外線距離探測(cè)器確定機(jī)器人與目標(biāo)的相對(duì)三維位置，再通過(guò)檢測(cè)當(dāng)時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速，以及利用微電腦控制系統(tǒng)控制空氣螺旋槳，可以固定機(jī)器人在任何地點(diǎn)上空。最后則是用機(jī)械臂將垃圾收集進(jìn)垃圾箱。收集完畢后，將垃圾放在指定的地方。詳細(xì)具體設(shè)計(jì)方案：一 整體結(jié)構(gòu)1. 整個(gè)機(jī)器人分成上下兩大部分，上部分是氦氣球和螺旋槳，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)的。是將由氫氣球、螺旋槳組成，下部是機(jī)器人的機(jī)身和垃圾收集箱，包括：視頻識(shí)別器、紅外線距離測(cè)量?jī)x、多關(guān)節(jié)機(jī)器臂

4、、電腦處理系統(tǒng)。2. 機(jī)器人是通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的，所以必須攜帶儲(chǔ)電池，也是安裝在機(jī)身。二 中央處理系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)身將安裝一個(gè)中央處理系統(tǒng)，作為機(jī)器人的大腦，它主要調(diào)節(jié)機(jī)器人三大系統(tǒng)：氦氣球活動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械臂控制系統(tǒng)。中央處理系統(tǒng)要接收和分析風(fēng)向風(fēng)力測(cè)量?jī)x、紅外線距離測(cè)量?jī)x、攝像頭、機(jī)械臂傳感器等反饋信息，以及控制氦氣球的行進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械臂操作等。三 氦氣球行進(jìn)系統(tǒng)1. 氣球的形狀：一開(kāi)始的時(shí)候，我曾經(jīng)將氦氣球的形狀設(shè)計(jì)成橢圓形，如同一般的氦氣飛艇一樣。但是考慮到這種形狀適用于運(yùn)輸，而要操作清理垃圾的話(huà)，這樣的形狀比較不方便，于是我改進(jìn)一下，設(shè)計(jì)為圓柱狀，這樣氣球四個(gè)方向的受力都會(huì)比較

5、均勻。由于地理形勢(shì)的影響，山陂一般都會(huì)有風(fēng)，這樣的形狀設(shè)計(jì)可以較好地穩(wěn)定機(jī)器人的位置。2. 如何實(shí)現(xiàn)行進(jìn)：參考了飛艇的飛行控制原理，我在結(jié)合機(jī)器人實(shí)際的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套飛行系統(tǒng)：一個(gè)可控制的尾鰭、三個(gè)螺旋槳、風(fēng)向和風(fēng)力測(cè)量?jī)x。如圖所示，氣球設(shè)置一個(gè)尾鰭用于控制方向以及增加穩(wěn)定，左右各設(shè)置一個(gè)螺旋槳，以控制方向和前進(jìn)速度。氣球頂端也設(shè)置一個(gè)螺旋槳，用于控制升降。而這些裝置將連接在機(jī)器人的中央處理系統(tǒng)而成為一個(gè)整體，接受中央處理系統(tǒng)的控制。3. 如何保持位置穩(wěn)定：在機(jī)器人機(jī)身安裝有3個(gè)紅外線距離探測(cè)器，當(dāng)機(jī)器人識(shí)別到了目標(biāo)（識(shí)別方式請(qǐng)看下文）之后，三個(gè)探測(cè)器同時(shí)從3個(gè)方向測(cè)量其與目標(biāo)的實(shí)時(shí)距離，為什

6、么要同時(shí)向3個(gè)方向測(cè)量呢？為的是可以確定機(jī)器人和目標(biāo)的相對(duì)三維位置。確定了相對(duì)位置之后，將數(shù)據(jù)傳送給中央處理系統(tǒng)。同時(shí)風(fēng)向和風(fēng)力測(cè)量?jī)x將風(fēng)向、風(fēng)力等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到中央處理系統(tǒng)，中央處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算后控制飛行系統(tǒng)調(diào)整尾鰭方向和螺旋槳馬力，使得機(jī)器人始終與目標(biāo)保持相對(duì)靜止。4. 控制方式：機(jī)器人的行進(jìn)控制分為人工控制和自動(dòng)控制兩種。一開(kāi)始的時(shí)候我設(shè)想機(jī)器人可以在旅游區(qū)上來(lái)回巡視，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)垃圾之后靠前機(jī)械臂做清理收集工作。但是這樣需要耗費(fèi)比較多的能量，在經(jīng)濟(jì)上不劃算；另外考慮到視頻識(shí)別的距離越遠(yuǎn)、范圍越大，識(shí)別的精準(zhǔn)度和效率都會(huì)大打折扣。所以機(jī)器人工作的開(kāi)始應(yīng)該先由人工控制，將機(jī)器人移動(dòng)到距離目標(biāo)五

7、米的范圍內(nèi)，然后轉(zhuǎn)為自動(dòng)行進(jìn)和搜索，這樣就可以大大提高工作效率了。四 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)：1. 識(shí)別原理：當(dāng)機(jī)器從人移動(dòng)到距離目標(biāo)五米范圍內(nèi)，就開(kāi)始識(shí)別目標(biāo)的過(guò)程了。負(fù)責(zé)識(shí)別垃圾目標(biāo)的攝像頭就安裝在機(jī)身。識(shí)別的工作原理是參照課堂上老師展示的番茄采集機(jī)器人。采集西紅柿機(jī)器人識(shí)別成熟西紅柿的原理主要是成熟番茄的是紅色的，與周?chē)G色的葉子顏色不一樣，機(jī)器人通過(guò)視頻可以識(shí)別到這種顏色反差，再經(jīng)過(guò)電腦計(jì)算就可以識(shí)別出成熟的番茄了。同樣地，風(fēng)景區(qū)的垃圾跟周?chē)沫h(huán)境顏色和形狀都是不一樣的（在風(fēng)景區(qū)的所謂垃圾，一般都是食品包裝袋、空瓶子、紙屑等廢棄品，其顏色比較鮮艷而凌亂），如果周?chē)h(huán)境是灰色的泥土后者綠色的草地

8、、樹(shù)枝的話(huà)應(yīng)該是可以通過(guò)視頻攝像和經(jīng)過(guò)中央處理系統(tǒng)程序計(jì)算識(shí)別出來(lái)的。2. 攝像頭要求：由于工作需要，攝像頭的視角范圍必須足夠大。因此攝像頭的形狀設(shè)計(jì)為圓球形，好像眼球一樣可以轉(zhuǎn)動(dòng)。五 機(jī)械臂夾持系統(tǒng)：當(dāng)目標(biāo)已經(jīng)識(shí)別出來(lái)之后就應(yīng)該開(kāi)始收集工作了。這個(gè)機(jī)器人的收集垃圾的工作是通過(guò)外夾式機(jī)械臂來(lái)完成的。1. 手指類(lèi)型：結(jié)合課堂知識(shí)，機(jī)械臂的手指類(lèi)型選擇是由被握持物件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同而決定的。由于這個(gè)機(jī)器人針對(duì)的目標(biāo)是山崖、陡坡上的垃圾，而這些垃圾多為食品包裝袋、飲料瓶、紙屑等，其總體特點(diǎn)是：形狀不一、重量較輕。因此機(jī)械手指的設(shè)計(jì)既不能用針對(duì)圓柱形物件的V型手指，也不能用平面指、尖指或薄、長(zhǎng)指，而是采用靈活性更大的仿人手型，要有三根手指才足夠獲取各種物件。另外指面將采用柔性指面，指面鑲襯橡膠來(lái)增加摩擦力。2. 驅(qū)動(dòng)裝置：采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)。3. 傳感系統(tǒng)：由于不同的垃圾有不同的形狀、剛度、大小，同時(shí)可以有一定的障礙物。所以機(jī)械臂要安裝傳感器，使之具有復(fù)合觸覺(jué)和復(fù)合力覺(jué)，隨時(shí)可以調(diào)整機(jī)械臂的動(dòng)作軌跡。六 垃圾儲(chǔ)存箱：垃圾儲(chǔ)存箱將安裝在機(jī)器人機(jī)身下面，以輕型塑料制作，為圓球狀，用索吊著。這樣可以使讓垃圾箱的重心可以始終保持在一條垂直線上，防止裝垃圾的時(shí)候重心變化導(dǎo)致機(jī)身傾斜。七 可能遇到的實(shí)際問(wèn)題：這只是一個(gè)機(jī)器人的理論