变结构智能服务机器人

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摘要

随着科学技术的发展，在许多领域里都提出了要平稳运送物品的要求，因此具有平稳运送物品的机器人是现代生活发展所必须拥有的，为此我们设计了能够自行调节高度并保持载物面水平的变结构服务机器人。本作品通过倾角传感器来捕获载物平面倾斜的信息，利用伺服电机调节机器人支撑点高度，从而使载物平面维持在平衡面。

该作品的研发具有广泛的应用前景，如医疗方面运送急救病人，抗震救灾时快速运送受伤群众，军事活动中运送伤员，制造企业中运送精密仪器，战事紧急运送弹药，化工企业中运送特殊化学试剂和资源探测中运送珍贵仪器等。

关键词：变结构；服务机器人；平稳运输

一、作品介绍

1、创作背景及动机

自进入二十一世纪以来，人类社会飞速发展，各行各业对平稳运输的需求越来越迫切，要求也越来越高。在我们日常生活中常常会遇到意外事件，如老人等意外发生肢体骨折，发生意外交通事故等，在这些事件中都对快速安全地运送受伤人员提出了较高的要求，而就现阶段社会医疗急救运输器械还远远达不到这种标准，特别是在平稳运输方面更是捉襟见肘。在军事弹药物资运输方面，由于新世纪军事新型弹药在各国全军弹药的比重不断增大，对平稳地运输它们的需求也越来越大。在抗震救灾方面，由于受伤人员众多的特殊情况，对快速智能平稳地运输受伤群众也有很高的要求。面对以上种种需求的情况，我们提出了设计一种能够实现平稳运输的运输型机器人，以此来解决上述问题，满足各个方面对平稳运输的需求。

2、作品功能特性

当今时代物流飞速发展，运输能力已经成为衡量一个国家强大程度的重要指标。现在地面的运输大多采用是传统的运输方式，面对一些需要平稳运输的情况，传统的运输方式还达不到要求。本次设计的“变结构智能服务机器人”能够通过倾角传感器实时收集载物平面倾斜程度的相关信息，之后通过MCU处理收集到的信息，再驱动伺服电机改变机器人自身结构，从而调节载物平面的倾斜程度，最后实现载物平面的平稳，达到平稳运输的要求。

另外， “变结构智能服务机器人” 很好的结合轮式机器人和足式机器人的优点,根据不同的环境会及时改变“腿部”弯曲程度，同时四足机器人由于其既有超于二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余和复杂性，又因为它良好的运动灵活性可以实现始终保持载物面的水平，以此使物品在运输过程中始终处于理想的平稳状态，极大的减少了物品间的碰撞和自身振动，从而避免了不必要的损失。

最后，本作品通过倾角传感器和伺服电机，实时调节机器人各支撑点高度，实现载物平面在不同路况下的平稳性。 

3、作品所具有的商业及实用价值

“变结构智能服务机器人”在运输过程中实现了物体的平稳运输，很好的解决了在医疗急救、军工弹药、精密仪器、抗震救灾方面传统运输方式所解决不了的平稳运输问题，如果实现商品化、市场化则能够在短时间内，显示出实用价值，提高潜在的商品效益。如果将其应用在医疗急救方面则可以显著的提高医疗机构的急救服务水平，极大程度的减轻需要急救的病人在运输过程中由于道路不平坦引起车辆颠簸所造成病人的不必要疼痛。特别在对于脊椎严重受伤等特殊病人的运输方面有特殊要求的情形下，“变结构智能服务机器人”的实用性与商业性会显现的更加明显。

在日常生活中“变结构智能服务机器人”同样具有广泛的应用前景，如以“变结构智能服务机器人”为载体制作成具有高度平稳性的婴儿车，可以很好的解决在不平坦道路上传统婴儿车的颠簸问题，而且这种方法优于传统以减震器的方式解决此问题的方法，能带给婴儿一个更舒适的环境，这样可以大幅度的提高婴儿车的实用性及商业价值。

由此可见“变结构智能服务机器人”在未来，无论是家庭应用方面，还是医疗救护、工厂企业等方面都有广泛的应用前景及较大的商业价值和实用价值。

二、工作原理

机器人在现代生活生产中的应用越来越广泛，变形机器人的应用前景也越来越大。此次设计的变形机器人主要实现障碍的智能躲避，它主要由微处理器芯片、光电传感器、倾角传感器、A\D转换、稳压电源、滤波电路、伺服电机组成。

1、传感器组模块

传感器模块主要由光电传感器和倾角传感器组成。光电传感器主要实现各种碍物的检测，实现信号实时的采集工作，为机器人做出变形反应提供反射信号条件。结构变换的信息来源于倾角传感器。此部分类似于人眼的作用，是变形机器人的视觉器官。    

2、A\D转换

机器人控制中心从传感器获得是模拟信号，要实现对此种信号的采集与控制就要其转换为MCU可以识别的数字信号。

3、伺服电机组

实现变结构的动力来源于安装在机器人四只关节处的四个伺服电机。它在“变结构智能服务机器人” 的控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。同时，伺服电机不存在震动的问题，这样有助于提高平面的稳定性。另外伺服电机发热量小，而且能够根据负载大小实时调整电流大小，在很大程度上减少了能耗。  

4、滤波稳压电路

机器人的稳定电流供电的问题是由滤波及稳压电路来解决的。不稳定的电池电压通过此模块的处理实现了在一定范围内的稳定，为机器人稳定的工作奠定了基础。本作品通过锂电池供电，并用LM2596稳压输出5V。LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。图2为LM2596稳压电路图。

三、作品功能及特色

“变结构智能服务机器人” 能够实现在复杂障碍情况下安全平稳的运载物体。本次设计的运载机器人的特色在于并不是像以往的同类机器人是通过躲避障碍来达到安全平稳运载物体的，而是在直接穿越障碍的同时进行自身结构的变形（腿部的弯曲程度）来达到平稳运载物体的目的。

变结构运载机器人应用前景广阔，家庭机器人、工厂企业特殊物品运载及军工弹药智能运载等方面都是很好的应用。

四、硬件结构

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硬件结构模块图                                     变结构智能服务机器人越障模拟图

 五、可行性分析

“变结构智能服务机器人”现已有以上明确的设计方案，主要采用mcu作为主控芯片，信号的采集通过红外和倾角传感器来实现，结构变化的动力主要来源于伺服电机组。本作品设计组成员由三位在校本科生组成，我们热爱电子，我们热爱创新，我们能吃苦耐劳，动手能力强，另外还有一位专业指导老师。此外，我们学校实验器材和实验设备齐全，学校和学院支持力度大。因此，我们具有实现此“变结构智能服务机器人”各方面的条件。

六、参考文献

[1] 邱关源编.  电路.第5版.  北京：高等教育出版社，2006.

[2] 朱定华编.  模拟电子技术.   北京：清华大学出版社，2013.

[3] 阎石主编.  数字电子技术基础.第5版.  北京：高等教育出版社，2006.

[4] 谭浩强编.  C语言程序设计.  北京：清华大学出版社，2010.

[5] 张伟编.  protel99SE基础教程.  北京：人民邮电出版社，2010.

[6] 郭锁利编.  基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用.第2版.  北京：人民邮电出版社，2012.

[7] 于海生编.  计算机控制技术.  北京：机械工业出版社，2007.

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