机器人设计论文

摘要：

这个机器人是针对旅游区山坡、悬崖边上的垃圾清理工作而设计的，利用氢 气球飞行作为其活动方式是这个机器人最大的特点。机器人先由人工控制飞行到 垃圾所在地，再通过视频识别系统在有限范围内对垃圾做出识别，然后通过自动 飞行系统移动到目标前面，再通过机械手取出垃圾，收集在垃圾储存箱里面，从 而达到环卫清理的工作目的。

关键词：

垃圾清理、气球飞行、山坡作业、视频识别、机械臂操作

设计背景：去黄山、鼎湖山、峨眉山等风景地区旅游的人们大概都会发现， 由于山路崎岖陡峭山上不能做到每一处都放置有垃圾箱，有一些素质不高的旅客 往往习惯性地将手中的垃圾扔到路边、山下。这些垃圾飘散各处，或者挂在树梢 上，或者堆在草丛中，形成难看的斑点，严重破坏了风景区的秀丽景色。虽然路 边的垃圾是很容易清理的，但是有一些掉到陡峭的山坡、山崖上的垃圾却十分难 清理了，用钩子、竹竿等工具钩，往往不够长。如果派人下去清理，那么高那么 陡峭的山坡又是十分危险的，同时也必然耗费更多的人力成本。所以在这里我想 设计一个专门用于清理风景区山崖、陡坡等难到达处的垃圾的环卫机器人。

设计思路：

这个机器人，是针对山崖陡坡的垃圾清理而设计的，由于特殊的使用环境， 机器人的活动方式既不能采用车轮、也不能采用机械腿的行进方式在山崖上活动， 我设想让这个机器人用氦气球飞行的方式活动（这也是这个机器人的最大特色之 处），这种活动方式可以使机器人轻松到达山崖大部分位置。

由于这个机器人是用氦气球飞行作为活动方式的， 所以尽量减轻其自身重量 是非常重要的，因此这个机器人将使用电力驱动。然后通过视频识别器识别要清 理垃圾，最后通过3个红外线距离探测器确定机器人与目标的相对三维位置，再 通过检测当时的风向和风速，以及利用微电脑控制系统控制空气螺旋桨，可以固 定机器人在任何地点上空。最后则是用机械臂将垃圾收集进垃圾箱。收集完毕后， 将垃圾放在指定的地方。

详细具体设计方案： 一. 整体结构

1. 整个机器人分成上下两大部分，上部分是氦气球和螺旋桨，主要实现 机

器人的移动的。是将由氢气球、螺旋桨组成，下部是机器人的机身 和垃圾收集箱，包括：视频识别器、红外线距离测量仪、多关节机器 臂、电脑处理系统。

2. 机器人是通过电力驱动的，所以必须携带储电池，也是安装在机身。 二. 处理系统：

机器人的机身将安装一个处理系统，作为机器人的大脑，它主要调 节

机器人三大系统：氦气球活动系统、机器人视觉系统、机械臂控制系 统。处理系统要接收和分析风向风力测量仪、红外线距离测量仪、 摄像头、机械臂传感器等反馈信息，以及控制氦气球的行进系统、机械 臂操作等。

三. 氦气球行进系统 1. 气球的形状：

一开始的时候，我曾经将氦气球的形状设计成椭圆形，如同一般的氦气 飞艇一

样。但是考虑到这种形状适用于运输，而要操作清理垃圾的话， 这样的形状比较不方便，于是我改进一下，设计为圆柱状，这样气球四 个方向的受力都会比较均匀。由于地理形势的影响，山陂一般都会有风， 这样的形状设计可以较好地稳定机器人的位置。 2. 如何实现行进：

参考了飞艇的飞行控制原理，我在结合机器人实际的基础上设计一套飞 行系统：一个可控制的尾鳍、三个螺旋桨、风向和风力测量仪。如图所 示，气球设置一个尾鳍用于控制方向以及增加稳定，左右各设置一个螺 旋桨，以控制方向和前进速度。气球顶端也设置一个螺旋桨，用于控制 升降。而这些装置将连接在机器人的处理系统而成为一个整体，接 受处理系统的控制。 3. 如何保持位置稳定：

在机器人机身安装有3个红外线距离探测器，当机器人识别到了目标（识 别方式请看下文）之后，三个探测器同时从 3个方向测量其与目标的实 时距离，为什么要同时向3个方向测量呢？为的是可以确定机器人和目 标的相对三维位置。确定了相对位置之后，将数据传送给处理系统。 同时风向和风力测量仪将风向、风力等实时数据传送到处理系统， 处理系统经过计算后控制飞行系统调整尾鳍方向和螺旋桨马力，使 得机器人始终与目标保持相对静止。 4. 控制方式：

机器人的行进控制分为人工控制和自动控制两种。一开始的时候我设想 机器人可以在旅游区上来回巡视，自动发现垃圾之后靠前机械臂做清理 收集工作。但是这样需要耗费比较多的能量，在经济上不划算；另外考 虑到视频识别的距离越远、范围越大，识别的精准度和效率都会大打折 扣。所以机器人工作的开始应该先由人工控制，将机器人移动到距离目 标五米的范围内，然后转为自动行进和搜索，这样就可以大大提高工作 效率了。

四. 机器人视觉系统：

1. 识别原理：

当机器从人移动到距离目标五米范围内，就开始识别目标的过程 了。负

责识别垃圾目标的摄像头就安装在机身。

识别的工作原理是参照课堂上老师展示的番茄采集机器人。采集 西红柿机器人识别成熟西红柿的原理主要是成熟番茄的是红色的，与 周围绿色的叶子颜色不一样，机器人通过视频可以识别到这种颜色反 差，再经过电脑计算就可以识别出成熟的番茄了。

同样地，风景区的垃圾跟周围的环境颜色和形状都是不一样的（在 风景区的所谓垃圾，一般都是食品包装袋、空瓶子、纸屑等废弃品， 其颜色比较鲜艳而凌乱），如果周围环境是灰色的泥土后者绿色的草 地、树枝的话应该是可以通过视频摄像和经过处理系统程序计算 识别出来的。

2. 摄像头要求： 由于工作需要，摄像头的视角范围必须足够大。因此摄像头的

形状设 计为圆球形，好像眼球一样可以转动。

五. 机械臂夹持系统：

当目标已经识别出来之后就应该开始收集工作了。这个机器人的收集垃 圾的工作是通过外夹式机械臂来完成的。

1. 手指类型：结合课堂知识，机械臂的手指类型选择是由被握持物件的 形状、

尺寸、重量、材质及表面状态的不同而决定的。由于这个机器 人针对的目标是山崖、陡坡上的垃圾，而这些垃圾多为食品包装袋、 饮料瓶、纸屑等，其总体特点是：形状不一、重量较轻。因此机械手

指的设计既不能用针对圆柱形物件的 V型手指，也不能用平面指、尖 指或薄、长指，而是采用灵活性更大的仿人手型，要有三根手指才足 够获取各种物件。另外指面将采用柔性指面，指面镶衬橡胶来增加摩 擦力。 2. 驱动装置：采用直流伺服电机驱动机械臂的各个关节。

3. 传感系统：由于不同的垃圾有不同的形状、刚度、大小，同时可以有 一定的

障碍物。所以机械臂要安装传感器，使之具有复合触觉和复合 力觉，随时可以调整机械臂的动作轨迹。 六. 垃圾储存箱：

垃圾储存箱将安装在机器人机身下面，以轻型塑料制作，为圆球状，用 索吊着。这样可以使让垃圾箱的重心可以始终保持在一条垂直线上，防 止装垃圾的时候重心变化导致机身倾斜。 七. 可能遇到的实际问题：

这只是一个机器人的理论设计而已，我也想到了一些实际上可能遇到的 问题，比如：氦气球的体积要多大才能使得机器人可以浮升起来呢？如 果体积过大，受风力影响的程度会不会很大而使得机器人很难靠几个螺 旋桨保持稳定呢？机器人是采用电力驱动的，但电池的体积和质量都不 能太大，如何可以保证电力的持久供给呢？等等。

简易设计图：

顶螺旋桨V

风向、风力测量仪