家庭环卫机器人的设计

单智超 陈举旺 孙宇扬

摘要：随着人们对生活质量要求不断提高，家庭环卫机器人渐渐走入百姓家。家庭功能性机器人需求日益增长，不同的需求需要数个专门机器人分别实现，对家庭空间和经济状况都有较高要求，成为机器人铺开的一大阻力。文章设计了一款多用途家庭环卫服务机器人。机器人同时满足搬运重物、抓取物品、远程监控的需求，并且有比较高的精度确定，降低人们家务劳动强度，高效完成操作任务。在满足多种家居智能化需求的同时减少不必要经验资源与家庭空间的占用。

关键词：家庭环卫;节约高效;全面控制;

1、绪论

1.1课题研究背景及意义

我们知道，工业革命经历了机械化、电气化、自动化几个阶段。我们国家已经进人到自动化的阶段。而自动化的代表就是机器人，所以机器人产业的发展是非常必要的，也是顺应国家经济产业转型的潮流。同时我们也应该看到中国机器人表面辉煌背后的黯淡。我们国内机器人产业虽然很热，但85%的产品还是依赖进口，瑞士ABB、日本发那科公司等长期占据中国机器人产业70%的市场份额。综合来看，我们确实有非常大的市场，但前提是要打牢基础，机器人的发展潜力非常大。尤其是中国进入老龄化社会，我们的老年人，有些日常工作可能完成不太方便，所以需要机器人来完成;再有就是商场也需要无时无刻的清扫，并且机器人还可以做活的广告机;在银行我们不仅可以打扫，还可以做推广业务。

1.2国内外研究现状和研究问题

目前市面上的家庭环卫机器人大多都是以扫地机器人为主导建立的，功能模式相对单一，对于家庭服务型来说，市面上大多是实现语言对话，老人陪伴的作用，多功能可实现监控的机器人的研发是不可避免的。

在机器人智能感知方面。设计完整的机器人视觉感知系统，打造微传感、高智能化的感控一体的芯片是十分重要的发展方向，将在机器人的三维识别、SLAM技术，机器人测量等方面的应用产生深远的影响。在机器人控制技术方面，机器人的柔顺控制、机器人智能控制和多机器人协同控制都是当下的研究热点。其应用中都体现出了基于深度学习、强化学习的机器人控制技术。任务分配、复杂任务精准配置都是机器人控制技术需要研究的内容。机器人除了智能感知和智能控制，还需要稳定有效的关节，机器人关节是其执行机构的关键部件。机器人要完成复杂的任务作业还需要有灵巧的手，因此灵巧的手是机器人的一个关键技术。基于这些技术可以把机器人集成创新，形成机器人系统应用，可以打造服务环卫机器人。

2、机械系统总体设计

2.1外部机械模型设计

机械手：机械手和机械臂可以分离，可以更换不同的机械手从而实现多样化的功能。比如可以安装清洁类的机械手，可以打扫屋子多角度、多方位，更加灵活，清洁效果更好;还可以安装抓取类的机械手，可以实现端水，帮忙拿取东西，以给用户更方便舒适的体验。

联轴器：机器人的前半身和后半身通过联轴器连接，它们可以分离。连接不同的后半身可以实现多样的用途。比如可以存放垃圾做移动垃圾桶，也可以做移动桌椅随时提供休息娱乐的场所。

摄像头：机器人前后装有两个摄像头，可以360度旋转，全方位地观测周围环境，提高工作效率。

云台：给机械臂提供基座，配合机械臂完成动作，提高工作效率。

2.2机械设计的好处

1）速度快：采用了轻质器件、高功率微信性马达，提高了速度，从而缩短了循环周期的时间，提高生产效率。

2）精度高：六轴工业机械手采用高质量、高性能谐波减速机，使在运行过程中不断重复定位，保证精度。质量受影响较小，因此保證了产品的质量。

3）封性好：各轴间完全密封，可以提高机械臂的使用寿命。

3、控制系统总体设计

3.1系统设计

系统主要包括上位机、云服务器、信息采集等。环卫机器人的控制系统主要由主控单元、振动系统和人机接口组成，GPS和摄像头采集位置信息和周围环境的雷达信息，地图位置以及对图像信息采集。然后通过上位机的信息传输通信协议对数据进行传输，远程同步机器人群体的实时地图位置，实现远程操控，对机器人的工作模式进行选择，因为机器人在运行时要执行大量的图像处理，所以我们会在机器人的服务程序中引入OpenCV图像处理的API，以Google地图接口，为机器人提供图像处理和路线规划，从而机器人进行会垃圾的识别分类，将垃圾清理并将其放置在指定位置，完成后驶向下一个工作地点，期间会躲避行人和障碍物。

3.2 GPS模块

GPS模块是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。采用SIRF三代芯片组的GPS模块，它的特点是定位时间快，高度感强，抗干扰性能好，功耗低，省电，体积小，性价比高。

3.3 摄像头模块

摄像头模组，简写为CCM。CCM 包含四大件： 镜头、传感器、软板、图像处理芯片。决定一个摄像头好坏的重要部件是：镜头、图像处理芯片、传感器。CCM的关键技术为：光学设计技术、非球面镜制作技术、光学镀膜技术。利用两个摄像头 获取图片的细微差异，计算得到视差图并将连续的两幅 视差图进行差分与乘积，获得包含深度信息的前景图像，最后利用直方图定位确定目标物体。

3.4 上位机系统

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/host computer/master computer/upper computer，屏幕上显示各种信号变化。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。

4、结论

本项目的背景是基于普通的家用机器人大部分只有清理简单卫生的功能，对于其本身的资源是有余的，利用其原基础上加上垃圾识别，分类，采取灵活的机械手臂实现原来的普通机器人不可以完成的任务，譬如对于墙角的清理，对此还可以实现对于用户的简单要求，像端水，帮助提取一些物品之类的简单操作，在一定的程度上加强使用者的体验。

参考文献

[1]智能家庭服务机器人设计[J].李欣原，聂子杰.2021（02）

[2]贾宁.基于双目视觉的家庭机器人的目标识别与检测[J].现代电子技术，2017，40（23）

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划（项目号 202010201032）资助项