王劉菲

北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京 100176

智能機(jī)器人作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，它無須人為管理，可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。 服務(wù)行業(yè)的機(jī)器人目前發(fā)展迅速，在餐廳行業(yè)也得到了一定的應(yīng)用。本文針對餐廳服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行研究論述。面向餐廳的需求，開展餐廳服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計研究，研制餐廳服務(wù)機(jī)器人樣機(jī)，進(jìn)行實驗驗證，實現(xiàn)自動尋跡，進(jìn)給及抓取功能。實現(xiàn)同時為多個桌子智能自動送物和收物。

餐飲服務(wù)機(jī)器人具備的功能主要有：巡線行走，RFID標(biāo)簽識別(能識別貼在指定位置或指定物品上的標(biāo)簽，并相應(yīng)介紹該物品的情況以及指定位置展品情況等)，手臂揮動(能單臂做出迎賓姿勢和揮手動作)，紅外遙控(能通過遙控器來遙控機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、音樂播放、音樂停止等功能)，平板遙控(除了能通過掌上平板電腦完成紅外遙控功能外，還開發(fā)了點菜系統(tǒng)功能，能通過平板電腦點菜，然后傳到廚房和前臺)，緊急避障(在機(jī)器人前進(jìn)路線上出現(xiàn)人和物體后，機(jī)器人會緊急停止，并等障礙物消失后恢復(fù)繼續(xù)行走，防止觸碰到人和物體，機(jī)器人能感應(yīng)到半米高度的物體，這樣可以防止碰到玩耍的孩子)，語音對話(能在安靜的房間中與客人進(jìn)行固定詞條的語音交互功能)。

1 技術(shù)路線

研究的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1

2 研究方法

2.1 機(jī)械外形的試制

根據(jù)參考資料以及自己的經(jīng)驗，應(yīng)用三維設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計。對于整個拉伸，需要有軟件分析其成型過程，選取必要的板料、板材大小、設(shè)備成型壓力及凸凹模的間隙；對于以上零部件的設(shè)計，都需要有力學(xué)的分析，得知它們是否能夠承載設(shè)備的壓力。通過以上分析，得出最合適的三維圖紙。在生產(chǎn)制造方面，應(yīng)用合適的加工設(shè)備進(jìn)行加工，如加工中心、數(shù)控車床、線切割、激光切及普通傳統(tǒng)設(shè)備。

2.2 小車電路連接

單片機(jī)作為小車的檢測和控制核心；采用光電開關(guān)、聲控傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器、紅外接收器等來檢測和感應(yīng)各種外界情況，從而把反饋到的信號送單片機(jī)，使單片機(jī)按照預(yù)定的工作模式控制小車在各區(qū)域按預(yù)定的速度行駛；智能小車既可以采用LED數(shù)碼管來顯示有關(guān)信息，也可以采用1602LCD實時顯示小車行駛的距離。

3 設(shè)計思路與方案

本機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包含四部分：車架、行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、電路系統(tǒng)。

3.1 車架

車架包含底板和護(hù)罩。底板采用3 mm鋁合金板制作，保證剛性。同時，表面均勻打孔Ф3.5，孔間距10×10，便于安裝各部件，同時減輕車身重量。護(hù)罩采用2 mm鋁合金鋼板，罩住底板后部安裝的電路系統(tǒng)，使整車更加美觀。

3.2 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)采用輪式結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向。2臺電動機(jī)分別驅(qū)動左右后輪，通過調(diào)整電動機(jī)支座保證兩輪的同軸度。前輪轉(zhuǎn)向通過一個舵輪電機(jī)驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，舵輪電機(jī)直接安裝在車架上，保證惰輪電機(jī)中心線與底板中心線重合。

根據(jù)現(xiàn)場操作情況，小車在行走過程中有兩種轉(zhuǎn)向方法可選用：一種是通過前輪轉(zhuǎn)向；另一種可通過左右后輪的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

3.3 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)也采用惰輪電機(jī)驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。兩根安裝在底板上的立柱作為起升導(dǎo)軌，起升滑塊通過直線軸承與立柱連接，實現(xiàn)上下滑動。抓取叉子直接安裝在起升滑塊上。此連桿機(jī)構(gòu)的連桿之間的連接全部采用寬度為25的小合頁連接。起升機(jī)構(gòu)的行程為115 mm，抓取叉子的最低點為55 mm，最高點為170 mm。

3.4 電路系統(tǒng)

電路系統(tǒng)采用成熟的電路板，端口分別與2臺舵機(jī)和2臺電機(jī)連接。電池放在電池支架內(nèi)，安裝在車架后部。

為增加在爬坡過程中輪胎與地面的摩擦力，車架后部增加配重塊。

4 工藝、成本分析

4.1 自制零件加工工藝路線

表1 小車需要自制件工藝路線

表1 (續(xù))

4.2 工藝卡片

材料成本、制造加工成本分析。

4.2.1 自制件材料清單

表2

4.2.2 外購件及標(biāo)準(zhǔn)件清單

表3

4.2.3 成本分析

從自制件清單河和外購件標(biāo)準(zhǔn)件清單可以看出，小車所需材料及標(biāo)準(zhǔn)、外購件均為普通材料和零件，沒有特殊材料等，采購成本比較合理。從小車需要自制件工藝路線可以看出，由于結(jié)構(gòu)簡單，自制件數(shù)量較少，且加工路線簡單，故人工成本和制造加工成本也較低。

5 加工工藝及程序

智能小車的制造過程中采用了多種加工工藝，有沖壓、折彎、銑削、車削、鉆孔等，下面就幾個重要部分零件的工藝進(jìn)行分析。

5.1 轉(zhuǎn)向桿

轉(zhuǎn)向桿是小車底部調(diào)整車輪擺動角度的零件，通過轉(zhuǎn)向桿的全方位轉(zhuǎn)動，使智能小車能按照既定的軌跡路線行進(jìn)，完成小車的任務(wù)。

5.1.1 轉(zhuǎn)向桿外輪廓

圖2

(1)工藝分析。材料為鋁合金，它的塑性和韌性很好，有良好的沖裁成形性能。零件結(jié)構(gòu)單一，包含了型腔及孔件加工，精度要求符合公差即可。毛坯為長方形零件，工藝方案為：先加工外形輪廓，再加工型腔，然后加工圓孔。

(2)刀路設(shè)置。應(yīng)用UG軟件對轉(zhuǎn)向桿輪廓進(jìn)行分析，用立銑刀進(jìn)行銑削加工，采用分層切削加工，轉(zhuǎn)向桿輪廓外形的刀路設(shè)置如圖3所示。

圖3

5.1.2 轉(zhuǎn)向桿型腔

應(yīng)用UG軟件對轉(zhuǎn)向桿型腔進(jìn)行分析，用立銑刀進(jìn)行銑削加工，采用分層切削加工，轉(zhuǎn)向桿輪廓型腔的刀路設(shè)置如圖4所示。

圖4

5.2 前輪支架

前輪支架的是裝配中比較重要的零件，起到上下連接的作用，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工工藝相對較難。

圖5

(1)工藝分析。材料為鋁合金，它的塑性和韌性很好，有良好的沖裁成形性能。零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包含了形體加工及圓孔加工，精度要求符合公差即可。毛坯為方形零件，工藝方案為：先銑削兩側(cè)輪廓；再銑削中間部分；然后加工各個圓孔。

(2)刀路設(shè)置。應(yīng)用UG軟件對前輪支架進(jìn)行分析，用立銑刀進(jìn)行銑削加工，采用分層切削加工，前輪支架兩側(cè)邊的刀路設(shè)置如圖6所示。

圖6

6 結(jié)語

智能機(jī)器人涉及多個學(xué)科的協(xié)同工作，不僅包括技術(shù)基礎(chǔ)，甚至還包括心理學(xué)、倫理學(xué)等社會科學(xué)，由于現(xiàn)有的智能機(jī)器人的智能水平還不夠高，因此在今后的發(fā)展中，努力提高各發(fā)面的技術(shù)及其綜合應(yīng)用，大力提高智能機(jī)器人的智能程度，提高智能機(jī)器人的自主性和適應(yīng)性，是智能機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵。

[1] 華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.高等教育出版社,2003.

[2] 元增民,張文希.單片機(jī)原理與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2006:1-30.

[3] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].第3版.北京:航空航天大學(xué)出版社,2005:39-231.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊:常用設(shè)計資料[M].第五版單行本.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[5] 譚民.機(jī)器人群體協(xié)調(diào)與控制的研究[C].國家863計劃自動化領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研討會文集,1999:62.

[6] 董士海.人機(jī)交互的進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2004,16(1):1-13.