智能机器人传菜员总体方案设计及液压端盘机械手的设计与制作【全套18张CAD图+开题报告+文献翻译+说明书】
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摘要: 开发一款操作简单、功能齐全、价格便宜的全自动智能送餐机器人。通过自主设计的独轮行走机构、三自由度液压机械手及以 STC89C51 型单片机为控制核心的控制系统并结合循迹传感器模块、红外传感器模块、继电器模块、及电机模块，模拟真实餐厅环境。可实现遥控输入桌号及启动、90°及180°转弯、停止及餐桌位置判定、避障、餐盘定位、机械手自动送菜及原路返回等功能。其性能可靠，可实际应用于餐厅。
关键词：传感器；循迹；机械手；餐桌定位
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智能机器人传菜员总体方案设计及液压端盘机械手的设计与制作 of s of 1 智能机器人传菜员总体方案设计及液压端盘机械手的设计与制作 2 1. 论文结构 体结构的设想 论文的总体结构将做如下安排： 内外餐厅 智能机器人传菜员 及相关智能服务机器人的 基础理论研究与应用研究状况、 餐厅智能服务机器人及相关智能服务机器人的机械结构、控制系统、检测系统的研究状况 、 市场上已投入运作的相关机器人其主要的控制方式。 机器人传菜员 的工作环境及工作条件。做出总体方案设计及布局。 测系统及控制系统三大部分进 行研究。 并进行机械系统设计、检测方法及传感器的选择、控制程序的编写。 验并分析。 5根据理论及实验分析，得出结论。 主要解决的问题 1 调整传感器及控制方式，保证机器人在行走时的稳定性，机器人在循迹行走时不偏离设定轨迹。 保每次能找到、抓到盘子并将其送至餐桌。 1 3 主要工作 1主要完成系统总体方案图的设计 时确定所需要的零件的品牌和型号。 成三组传感器安排和设计。 辅助编制控制程序 实施装配 传感器和控制程序进行运动调试。 2. 文献综述 能餐厅服务机器人 及其相关 智能服务机器人 技术的基础理论与应用研究 在人民生活水平不断提高、科技日新月异的时代，机器人将逐步走入人类的日常生活，与人类友好共处，是未来社会生活发展的必然趋势。服务机器人系3 统技术不仅是智能机器人发展的前沿技术， 也是引领人类未来生活新模式、培育机器人新产业革命的一种核心技术。 智能机器人领域起源欧美发达国家 ,自动化控制技术现在日本、德国、法国等发达国家领先于各个国家 ,但真正应用民用行业的还十分罕见 ,日本早期研制出一款类人型服务机器人 ,技术先进 ,但仅限于技术研发 ,突破相关技术问题 ,实用性不强。 智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。智能服务机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技 实力和发展水平的重要标志，目前国际智能服务机器人研究主要集中在德国、日本等国家，并成功将智能服务机器人应用于各个行业中，我国近些年在智能服务机器人研究方面也取得很多进展，很多机器人研发公司将研究重点转向智能服务机器人开发 。而作为餐厅这样一个服务型行业，智能机器人以替代人工的劳动也显得尤为重要。 餐厅服务机器人 的研究主要依靠于 机电一体化技术，将计算机控制、电机控制技术及机械有机构有机的配合起来，通过传感技术实现 形高精度、高可靠性、的智能服务，大多数机器人控制系统控制系统主要依托于 51 单片机来控制。 如北京工业大 学的“轮式智能自主移动服务机器人”其主要工作原理是采用了图像采集系统来对机器人周围环境进行分析计算 ,进行导航。行走模式为轮式 ,上部为复杂的前后移动可动式机械结构。理论上存在可行性 ,实际运营中存在两个最大的技术难点 ,由于上身复杂机械结构和大数据复杂的图像运算都需要比较大量供电系统 ,在实际服务过程中存在供电不足现象。第二由于其数据定位是给予图像计算 ,因此其计算的反应速度将远远达不到现实要求的速度 ,实际服务过程中严重影响客户的服务体验。再例如深圳先进技术研究院的“一种餐厅服务机器人系统”此项系统设计包括了 ,控制模 块、行进模块、交互模块、感知模块、执行模块。各种电子模块很多 ,但回避了一个机器人最基本的功能 ,就是机器人如何到达其所要到达的位置 ,如何定位机器人所在位置 ,及机器人在到达过程中遇到障碍 ,躲避后路线选择的问题。 厅智能服务机器人的研究现状 起初智能服务机器人的研究其控制模式都比较复杂，成本较高，不适用于实4 际生活，如北京工业大学的“轮式智能自主移动服务机器人”其主要工作原理是采用了图像采集系统来对机器人周围环境进行分析计算 ,进行导航。行走模式为轮式 ,上部为复杂的前后移动可动式机械结构。理论上存在可行性 ,实际运营中存在两个最大的技术难点 ,由于上身复杂机械结构和大数据复杂的图像运算都需要比较大量供电系统 ,在实际服务过程中存在供电不足现象。第二由于其数据定位是给予图像计算 ,因此其计算的反应速度将远远达不到现实要求的速度 ,实际服务过程中严重影响客户的服务体验。再例如深圳先进技术研究院的“一种餐厅服务机器人系统”此项系统设计包括了 ,控制模块、行进模块、交互模块、感知模块、执行模块。各种电子模块很多 ,但回避了一个机器人最基本的功能 ,就是机器人如何到达其所要到达的位置 ,如何定位机器人所在位置 ,及机器人在到达过程中遇到障 碍 ,躲避后路线选择的问题。再如 山东大陆科技有限公司设计的一款设置有控制器以及与控制器连接的动力装置、驱动装置、行走装置、无线信号传输装置和语音装置的餐厅服务机器人主要依靠磁条循迹，通过 磁性传感器、读卡器和若干存有编号数据的磁性增强卡 ,设置在每个餐位处并且其编号数据与餐位顺序编码相对应 ,所述磁性传感器和读卡器与控制器连接 ,磁性传感器用于检测导轨的磁性信号 ,读卡器用于读取主体所经过的磁性增强卡的编码数据 ,所述控制器用于根据磁性信号确定导轨位置 ,同时判断接收到的编号数据与预设的餐位顺序编码是否对应 ，虽然说此设计较 前两种设计已是简便不少，可是在实际餐厅磁条如何铺设也是一种问题，而且无法实现机器人的 360 度转弯，无法实现沿原路返回。同时所有机器人只能提供将菜送至桌旁，无法将餐盘送至桌子上，同时将空盘子回收的功能。 根据现状我们便想开发一款结构更简 单，控制更方便，功能更齐全的餐厅服务机器人。 于 餐厅 智能机器人传菜员 系统设计方案的综合分析 智能餐厅服务机器人主要建立于三大模块上，即 :控制系统、检测系统和机械执行系统。控制系统目前大多采用 51 单片机，通过建立相应的算法，利用 C 语言编写控制程序。 51 单片机 是对所有兼容 令系统 的单片机的统称。其代表型号是 司 的 列，它广泛应用于工业测控系统之中。单片机中， 入 /输出设备 ，全部被做到一块 集成电路芯片 中， 在附5 加其他电子元件便可组成一个控制电路板。控制系统一般由多个模块组成，一般餐厅智能服务机器人设有语音模块、电机模块、红外模块、 传感模块、液晶显示模块、无线模块、报警模块及时钟模块。而 51 单片机作为上位机控制这些所有模块的按照指定的程序工作。 检测模块主要要多个不同的传感器组成，一般磁铁循迹，则会装有磁性传感器，黑条循迹则会装有红外传感器。作为餐厅服务机器人则必须具有避障功能，一般障碍物检测传感器应用较多的两种是超声波传感器和红外传感器。而红外传感器相对超声波传感器更简单方便一些。由多组不同传感器的协调 工作别组成了机器人的高准确度。 机械机构主要作为机器人的执行机构，则要求简单灵活。现在多数采用四轮但转弯半径要求较大，电机数目较多，不方便机器人自身的协调与控制，而且耗电量较大。 而具备机械手设计的餐厅智能服务机器人更是没有。作为机械手的设计目前已广泛应用于工业生产，但作为送餐机械手，工作性能要求更高。 厅服务 机器 人 的国内外研究概述 公共服务机器人近年来得到快速发展，并且已经应用到公共场所为人类服务。例如，在展览会会场、办公大楼、旅游景点为客人提供信息咨询服务的迎宾导游机器人 1，在建筑物内或者居 民区内进行自动巡视的安防巡逻机器人 2等，技术上都已经比较成熟，已经开始走向实际应用。随着社会的不断发展进步，人们的人均收入提高，随之而来的是人们的消费水平不断地提高，从而大大地促进了餐饮业的迅速发展。在餐饮业领域，最繁杂的工作莫过于为顾客点餐和送餐等服务。由于人力成本的提高，餐馆在服务人员的人力成本支出越来越高，如在日本、香港，普通服务员的工资和产业工人的工资已经不相上下。如果使用机器人代替 /部分代替服务员为顾客服务，如点菜、送菜，不但能提高服务效率，减少服务人员数量，更能建立餐厅特色，打造餐厅品牌，进 而提升餐厅的业绩。餐厅服务机器人作为一类特殊的公共服务机器人，集成了移动机器人技术、多任务集成、人机交互、多模态分析等。因此，研究和开发餐厅服务机器人系统，不仅可以积累研发其他服务机器人的技术，具有重要的理论价值，还具有重大的实际应用价值和广阔的市场前景。 6 餐厅服务机器人作为一种特殊的服务机器人，集成了移动机器人、多传感器信息融合和多模态人机交互等技术，具有较高的理论价值；同时，餐厅服务机器人能够代替或者部分代替餐厅服务员为顾客服务，具有广阔的市场前景。 加拿大 人于 1999 年研制了餐厅服 务机器人 ，其外形似一只企鹅。 人于 2002 年研制了服务机器人 ， 有上半身。 能通过语音识别技术进行人机对话。不同的是 用人工设置路标，基于超声测距传感器信息的导航和定位，而 且他们与顾客的互动性还比较差。 流”，这种方式在嘈杂环境中受到很大限制； 流”之外，通过安装在其本体上的笔记本电脑显示脸部表情来和顾客交流，这种“交流”虽然表情丰富，但缺乏真实感。 台湾国立云林科技大学和吴凤技术学院合作研发了餐厅服务机器人 5，第一代餐厅服务机器人采用电磁导航，第二代采用激光测距传感器进行导航，具有较好的定位和导航能力。 3. 参考文献 1of a 007. 33of . 52007: 483 488. 2of an 007. . 152007: 250 255. 3 M, M, B, et , 1999. 4 , , , et a . C, 11002: 36985 H, L. of a 7. 16 2008: 6626刘银华，闫维新，周晓燕等 J 1） : 1197 赵兴，闫维新，赵言正等 J2007， 29 I 摘要 : 开发一款操作简单、功能齐全、价格便宜的全自动智能送餐机器人。通过自主设计的独轮行走机构、三自由度液压机械手及以 单片机为控制核心的控制系统并结合循迹传感器模块、红外传感器模块、继电器模块、及电机模块，模拟真实餐厅环境。可实现遥控输入桌号及启动、 90及 180转弯、停止及餐桌位置判定、避障、餐盘定位、机械手自动送菜及原路返回等功能。其性能可靠，可实际应用 于 餐厅。 关键词： 传感器 ；循迹；机械手；餐桌定位 a of in its OF to of in to s to 90 80 to Its to in 目 录 内容摘要 I 导言 1 能机器人传菜员 研究的背景及意 义 1 智能机器人传菜员 国内外研究状况 1 本课题设计的 智能机器人传菜员 2 2 总体方案设计 2 机器人总体结构设计 2 机器人实验环境布局 3 机器人总体电路设计 3 3 控制系统的实现 3 传感器的布局 3 机器人控制系统 4 具体实施方案 5 进电机偏转程序设计 12 径信息采集程序设计 14 15 外控制启动程序设计 17 4 机械手液压系统设计 18 液压系统设计 18 液压元件的计算与选择 19 机械手爪的设计及安装 23 参考文献 24 附录：开题报告 26 程序 31 致谢 54 英文原文 on of on of he of of on of n in is on a by of to of he on of is of it be In of of of be of 2 to on of of of of in of of on of he of is in to in of to of of in to in of or is of to on of nd of In to t on no to t on is on at In to to is so is by or of to On of he of of in is if to it to of be of is is to is of is to is to so to of of of of of is to of of at of of to of of to To in of a is to to of is of on of to In to of to so as to of of of of to to is in of is of is of of a of to of of is by is of so by is as as to of 2 it is as as of to of of in of to a of of is by of of to of we of to In on of of of to in of in In on of or or in to a of it of up In in to in on of in of of of of of In is is of of is 0 0% to so to of of is is of in of by to of it If to of or If at is is to of If on be is a of is by is to as as to as as to of of is a to so of of of on of of to in of of is to to so is by of a to to in of in In to to 中文译文 影响工件表面质量的因素 加工过程对表面质量的影响 工艺系统的振动对工件表面质量的影响 在机械 加工过程中工艺系统有时会发生振动，即在刀具的切削刃与工件上正在切削的表面之间除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动。 振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面粗糙度值，恶化加工表面质量。 刀具几何参数、材料和刃磨质量对表面质量的影响 刀具的几何参数中对表面粗糙度影响最大主要是副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径。在一定的条件下，减小副偏角、主偏角、刀尖圆弧半径都可以降低表面粗糙度。在同样条件下，硬质合金刀具加工的表面粗糙度值低于高速钢刀具，而金刚石、立方氮化硼刀具又优 于硬质合金，但由于金刚石与铁族材料亲和力大，故不宜用来加工铁族材料。另外，刀具的前、后刀面、切削刃本身的粗糙度直接影响加工表面的粗糙度，因此，提高刀具的刃磨质量，使刀具前后刀面、切削刃的粗糙度值应低于工件的粗糙度值的 12 级。 切削液对表面质量的影响 切削液的冷却和润滑作用能减小切削过程中的界面摩擦，降低切削区温度，使切削层金属表面的塑性变形程度下降，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，在生产中对于不同材料合理选用切削液可大大减小工件表面粗糙度。 工件材料对表面质量的影响 工件材料的性质；加工塑性材料时，由刀具对金属 的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性越好，金属的塑性变形越大，加工表面就愈越粗糙。加工脆性材料时其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点使表面粗糙。 一般韧性较大的塑性材料，加工后表面粗糙度较大，而韧性较小的塑性材料，加工后易得到较小的表面粗糙度。对于同种材料，其晶粒组织越大，加工表面粗糙度越大。因此，为了减小加工表面粗糙度，常在切削加工前对材料进行调质或正火处理，以获得均匀细密的晶粒组织和较高的硬度。 切削条件对工件表面质量的影响 与 切削条件有关的工艺因素，包括切削用量、冷却润滑情况。中、低速加工塑性材料时，容易产生积屑瘤和鳞刺，所以，提高切削速度，可以减少积屑瘤和鳞刺，减小零件已加工表面粗糙度值；对于脆性材料，一般不会形成积屑瘤和鳞刺，所以，切削速度对表面粗糙度基本上无影响。进给速度增大，塑性变形也增大，表面粗糙度值增大，所以，减小进给速度可以减小表面粗糙度值，但是，进给量减小到一定值时，粗糙度值不会明显下降。正常切削条件下，切削深度对表面粗糙度影响不大，因此，机械加工时不能选用过小的切削深度。 切削速度对表面粗糙度的影响 一般在粗加 工选用低速车削，精加工选用高速车削可以减小表面粗糙度。 在中速切削塑性材料时，由于容易产生积屑瘤，且塑性变形较大，因此加工后零件表面粗糙度较大。通常采用低速或高速切削塑性材料，可有效地避免积屑瘤的产生，这对减小表而粗糙度有积极作用。 磨削加工对表面质量的影响 砂轮的影响 砂轮的粒度越细，单位面积上的磨粒数越多，在磨削表面的刻痕越细，表面粗糙度越小；但若粒度太细，加工时砂轮易被堵塞反而会使表面粗糙度增大，还容易产生波纹和引起烧伤。砂轮的硬度应大小合适，其半钝化期愈长愈好；砂轮的硬度太高，磨削时磨粒不易脱落，使加工表面受到的摩擦、挤压作用加剧，从而增加了塑性变形，使得表面粗糙度增大，还易引起烧伤；但砂轮太软，磨粒太易脱落，会使磨削作用减弱，导致表面粗糙度增加，所以要选择合适的砂轮硬度。砂轮的修整质量越高，砂轮表面的切削微刃数越多、各切削微刃的等高性越好，磨削表面的粗糙度越小。 磨削用量的影响 增大砂轮速度，单位时间内通过加工表面的磨粒数增多，每颗磨粒磨去的金属厚度减少，工件表面的残留面积减少；同时提高砂轮速度还能减少工件材料的塑性变形，这些都可使加工表面的表面粗糙度值降低。降低工件速度，单位时间内通过加工表面 的磨粒数增多，表面粗糙度值减小；但工件速度太低，工件与砂轮的接触时间长，传到工件上的热量增多，反面会增大粗糙度，还可能增加表面烧伤。增大磨削深度和纵向进给量，工件的塑性变形增大，会导致表面粗糙度值增大。径向进给量增加，磨削过程中磨削力和磨削温度都会增加，磨削表面塑性变形程度增大，从而会增大表面粗糙度值。为在保证加工质量的前提下提高磨削效率，可将要求较高的表面的粗磨和精磨分开进行，粗磨时采用较大的径向进给量，精磨时采用较小的径向进给量，最后进行无进给磨削，以获得表面粗糙度值很小的表面。 工件材料 工件材料 的硬度、塑性、导热性等对表面粗糙度的影响较大。塑性大的软材料容易堵塞砂轮，导热性差的耐热合金容易使磨料早期崩落，都会导致磨削表面粗糙度增大。 另外，由于磨削温度高，合理使用切削液既可以降低磨削区的温度，减少烧伤，还可以冲去脱落的磨粒和切屑，避免划伤工件，从而降低表面粗糙度值。 影响工件表面物理机械性能的因素 表面层冷作硬化。切削刃钝圆半径增大 ,对表层金属的挤压作用增强 ,塑性变形加剧 ,导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大 ,后刀面与被加工表面的摩擦加剧 ,塑性变形增大 ,导致冷硬增强。切削速度增大 ,刀具与工件的作用时间 缩短 ,使塑性变形扩展深度减小 ,冷硬层深度减小。切削速度增大后 ,切削热在工件表面层上的作用时间也缩短了 ,将使冷硬程度增加。进给量增大 ,切削力也增大 ,表层金属的塑性变形加剧 ,冷硬作用加强。工件材料的塑性愈大 ,冷硬现象就愈严重。 表面层材料金相组织变化。当切削热使被加工表面的温度超过相变温度后 ,表层金属的金相组织将会发生变化。磨削烧伤当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时 ,表层金属发生金相组织的变化 ,使表层金属强度和硬度降低 ,并伴有残余应力产生甚至出现微观裂纹 ,这种现象称为磨削烧伤。改善磨削烧伤的途径磨削热 是造成磨削烧伤的根源 ,故改善磨削烧伤由两个途径 :一是尽可能地减少磨削热的产生 ;二是改善冷却条件 ,尽量使产生的热量少传入工件。正确选择砂轮合理选择切削用量改善冷却条件。 表面层残余应力。产生残余应力的原因 :切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生 ,使表面金属的比容加大 ;切削加工中 ,切削区会有大量的切削热产生 ;不同金相组织具有不同的密度 ,亦具有不同的比容的变化必然要受到与相连的基体金属的阻碍 ,因而就有残余应力产生。工件主要工作表面最终工序加工方法的选择。选择零件主要工作表面最终工序加工方法 ,须考虑该零件主要工作表面的具体工作条件和可能的损坏形式。在交变载荷作用下 ,机器零件表面上的局部微观裂纹 ,会因拉应力的作用使原生裂纹扩大 ,最后导致零件断裂。从提高零件抵抗疲劳破坏的角度考虑 ,该表面最终工序应选择能在该表面产生残余压应力的加工方法。 在切削 加工过程中，刀具对工件的挤压和摩擦使金属材料发生塑性变形，引起原有的残留面积扭曲或沟纹加深，增大表面粗糙度。当采用中等或中等偏低的切削速度切削塑性材料时，在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤，它可以代替刀具进行切削，但状态极不稳定，积屑瘤生成、长大和脱落将严重影响加工表面的表面粗糙度值。另外，在切削过程中由于切屑和前刀面的强烈摩擦作用以及撕裂现象，还可能在加工表面上产生鳞刺，使加工表面的粗糙度增加。 磨削表面层金相组织变化与磨削烧伤 机械加工过程中产生的切削热会使得工件的加工表面产生剧烈的温升，当温度超过工件 材料金相组织变化的临界温度时，将发生金相组织转变。在磨削加工中，由于多数磨粒为负前角切削，磨削温度很高，产生的热量远远高于切削时的热量，而且磨削热有 6080%传给工件，所以极容易出现金相组织的转变，使得表面层金属的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。产生磨削烧伤时，加工表面常会出现黄、褐、紫、青等烧伤色，这是磨削表面在瞬时高温下的氧化下膜颜色。不同的烧伤色，表明工件表面受到的烧伤程度不同。 磨 削淬火钢时，工件表面层由于受到瞬时高温的作用，将可能产生以下三种金相组织变化： 如 果磨削表面层温度未超过相变温度，但超过了马氏体的转变温度，这时马氏体将转变成为硬度较低的回火索氏体或索氏体，这叫回火烧伤。 如果磨削表面层温度超过相变温度，则马氏体转变为奥氏体，这时若无切削液，则磨削表面硬度急剧下降，表层被退火，这种现象称为退火烧伤。干磨时很容易产生这种现象。 如果磨削表面层温度超过相变温度，但有充分的切削液对其进行冷却，则磨削表面层将急冷形成二次淬火马氏体，硬度比回火马氏体高，不过该表面层很薄，只有几微米厚，其下为硬度较低的回火索氏体和索氏体，使表面层总的硬度仍然降低，称为淬火烧伤。 磨 削烧伤的改善措施 影响磨削烧伤的因素主要是磨削用量、砂轮、工件材料和冷却条件。由于磨削热是造成磨削烧伤的根本原因，因此要避免磨削烧伤，就应尽可能减少磨削时产生的热量及尽量减少传入工件的热量。具体可采用下列措施： 合理选择磨削用量 不能采用太大的磨削深度，因为当磨削深度增加时，工件的塑性变形会随之增加，工件表面及里层的温度都将升高，烧伤亦会增加；工件速度增加，磨削区表面温度会增高，但由于热作用时间减少，因而可减轻烧伤。 工件材料 工件材料对磨削区温度的影响主要取决于它的硬度、强度、韧性和热导率。工件材料硬 度、强度越高，韧性越大，磨削时耗功越多，产生的热量越多，越易产生烧伤；导热性较差的材料，在磨削时也容易出现烧伤。 砂轮的选择 硬度太高的砂轮，钝化后的磨粒不易脱落，容易产生烧伤，因此用软砂 轮较好；选用粗粒度砂轮磨削，砂轮不易被磨削堵塞，可减少烧伤；结合剂对磨削烧伤也有很大影响，树脂结合剂比陶瓷结合剂容易产生烧伤，橡胶结合剂比树脂结合剂更易产生烧伤。 冷却条件为降低磨削区的温度，在磨削时广泛采用切削液冷却。为了使切削液能喷注到工件表面上，通常增加切削液的流量和压力并采用特殊喷嘴，并在砂轮上安装带有空气挡板的 切削液喷嘴，这样既可加强冷却作用，又能减轻高速旋转砂轮表面的高压附着作用，使切削液顺利地喷注到磨削区。此外，还可采用多孔砂轮、内冷却砂轮和浸油11 能机器人传菜员研究的背景及意义1-2智能机器人领域起源欧美发达国家,自动化控制技术现在日本、德国、法国等发达国家领先于各个国家,但真正应用民用行业的还十分罕见,日本早期研制出一款类人型服务机器人,技术先进,但仅限于技术研发,突破相关技术问题,实用性不强。智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。智能服务机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技实力和发展水平的重要标志，目前国际智能服务机器人研究主要集中在德国、日本等国家，并成功将智能服务机器人应用于各个行业中，我国近些年在智能服务机器人研究方面也取得很多进展，很多机器人研发公司将研究重点转向智能服务机器人开发。而作为餐厅这样一个服务型行业，智能机器人以替代人工的劳动也显得尤为重要。智能机器人传菜员的研究主要依靠于机电一体化技术，实现机器人自动送菜功能。能机器人传菜员国内外研究状况在国外最早开发的机器人，其外形似一只企鹅。，有上半身。同的是于超声测距传感器信息的导航和定位，而且他们与顾客的互动性还比较差。流”，这种方式在嘈杂环境中受到很大限制；流”之外，通过安装在其本体上的笔记本电脑显示脸部表情来和顾客交流，这种“交流”虽然表情丰富，但缺乏真实感。台湾国立云林科技大学和吴凤技术学院合作研发了餐厅服务机器人5，第一代餐厅服务机器人采用电磁导航，第二代采用激光距传感器进行导航，具有较好的定位和导航能力。但该服务机器人外形设计比较简单，采用多层的圆柱形设计，没有人的外形，也缺少娱乐性和与顾客的互动。我国2007年的863计划已经把餐饮服务多机器人系统作为重点项目支持。在“十一”国家“863”计划的推动下，部分高校已经对餐厅服务机器人进行了探索性的研究。例如，哈工大海尔机器人公司研制的智能服务机器人具有2菜单介绍、点菜餐位预定与管理服务，但没有送菜功能。扬州大学、课题设计的智能机器人传菜员基于上述原因如果在餐饮行业这样的用工大户中拥有一款既经济又灵活的循迹输送机器人，在餐饮服务中替代人力传菜、端菜、送菜服务，不仅餐厅秩序会变得更加井然、还会更卫生、更便捷，同时又增加了餐厅的新鲜感，成为除菜品以外的一个新卖点，这将会给餐饮业带来很大变革，既会大大降低人力资源成本，有效缓解行业的用人之痛，还会因此给企业带来额外的经济效益。本项目就是基于这样的背景下开发一款旨在于解放生产力的机械装备。实现90、180转弯、餐桌定位、一次性送多盘菜、可将菜送至餐桌及原路返回等功能。本机器人已取得多项国家专利。2 总体方案设计6-12械手系统及控制系统三部分组成。整体采用24器人高16840图1所示。送餐机器人的工作流程如下：通过遥控器输入桌号并启动。机器人得到命令，51单片机通过控制继电器来控制直流电机工作，直流电机主要通过调压来实现速度的控制。循迹传感器检测行走状态，通过51单片机处理，控制机器人的纠偏、转弯及掉头。机器人经循迹、蔽障后到达对应的餐桌旁停下，然后单片机控制机器人的机械手，通过装有红外传感器的三爪机械手寻找餐盘，并抓取餐盘，将其送至餐桌。但餐盘全部送完后，机器人回收手臂，180掉头并沿原路返回。机械手的旋转主要通过行走独轮来控制。机器人的核心处理器是图2所示。课题试验环境如图所示,红色为餐台,黑色为机器人行走路径,次编号1时为保证机器人对餐厅行走环境的适应性,机器人行走路线设有不同弧度的弯道、直线、直角。路元件由6个继电器，6个液压电磁阀，9个光耦传感器，2个红外传感器，1个步进电机，2个直流电机组成，具体设计原理图如下图所示：图33 控制系统的实现13-18设路线的快度为5时依据机器人底盘大小，右各四个排布。其行走时纠偏角的范围为60之间。机器人在行走时可能出现的纠偏状态大概有14种，如下表14所示。为了保证机器人在餐桌旁能够停止，在底盘中间位置又加设了第九个传感器，当九个传感器同时检测到铺设好的路径时，机器人则停止前进。传感器选择排布如图3所示。机器人在行走时，为避免撞到障碍物，在机器人前段装有光电避障传感器，其采用自反射式原理，其检测最大检测距离为60抱枕机械手能准确抓取餐盘，在机械手爪中心位置设有光电传感器，3 1 2 4 状态1 1 1 0 1 1 1 1微左偏1 1 0 0 1 1 1 1 稍微左偏1 1 0 1 1 1 1 1 稍左偏1 0 0 1 1 1 1 1 稍左偏1 0 1 1 1 1 1 1 左偏0 0 1 1 1 1 1 1 为严重左偏0 1 1 1 1 1 1 1严重左偏1 1 1 1 0 1 1 1 微右偏1 1 1 1 0 0 1 1 稍微右偏1 1 1 1 1 0 1 1 稍右偏1 1 1 1 1 0 0 1 稍右偏1 1 1 1 1 1 0 1 右偏1 1 1 1 1 1 0 0微严重右偏1 1 1 1 1 1 1 0 器人控制系统控制系统主要通过感器及继电器结合实现。电路主要分为：遥控模块，电机驱动模块，红外避障模块和巡线传感器模块，红外餐盘定位模块，机械手模块及主控模块，如图4所示。机器人的行走主要依靠固定于从动5大齿轮底面的9个弯、桌定位及掉头。其排布左右各四个，正前方一个，利用黑色吸光性强的原理，将光耦输出模拟信号通过片机通过脉冲信号实现对步进电机不同转角的控制。在行走，转弯时主要依靠左右四个传感器不同的返回值，控制步进电机的转角，实现纠偏，转弯。在指定桌位的停止主要是通过九个传感器同时检测到信号，其信号输出全部为零。控制系统,包括电源部分、循迹传感器、避障感应器、餐盘定位传感器、电磁阀、单片机、液晶屏、红外遥控器、继电器、步进电机驱动器、步进电机和直流电机器。由电源部分由两块12为整个执行系统提供电源；由5伏电源为单片机供电。循迹传感器连接于单片机相应的输入端以检测机器人偏离轨迹的状态。避障传感连接于单片机相应的输入端以防止机器人撞到前方障碍物。餐盘定位传感器连接于单片机相应输入端控制机械手寻找菜盘。继电器连接与单片机相应的信号输入端控制液压机械手及执行系统电源。液晶屏采用16位液晶屏连接于单片机相应的输入端以显示相应的控制信息。红外遥控器用来输入相应桌号及启动执行系统。步进电机驱动器连接于单片机的相应输出端,步进电机连接于步进电机驱动器的输出端。单片机根据循迹传感器返回的信号，判断机器人应该采取的纠偏值，通过步进电机驱动器驱动步进电机,控制机器人底部转动独轮动作，实现纠偏。直流电机连接于相应的继电器，通过继电器控制机器人的前进及停止。先通过单片机（液晶屏8及红外接收初始化清零，遥控器2输入设定桌号，经红外接收头1将信号输入到显示在液晶屏8上。同上述所述，用遥控器2启动机器人。机器人启动以后，机器人开始沿着黑色胶带铺设好的轨迹行走。循迹主要依托于对称排布与机器人底部的八个循迹传感器9，其排布左右各四个。不同位置不同数目的循迹传感器9检测到黑线具有不同的返回值，其将电信号转换成数字信号输入到上述述用步进电机驱动器3控制步进电机4相应的转角来保证机器人沿着黑线中心行走。当上述循迹传感器3有一侧四个循迹传感器同时检测到时，如6果是输入行号或列号，机器人执行90度转外。否则上述保证机器人到达桌位能够停下来，在机器人底盘加设第九个循迹传感器。当九个同时检测到黑线时，机器人到达指定桌位。在机器人到达指定桌位以后，直流电机继电器4断开，机器人停止行走。液压电机继电器5打开，液压泵开始工作。液压机械手通过六个继电器模块7控制电磁阀依次动作保证液压机械手6的整个动作。为保证机械手能准确抓到盘子，在机械手上设有红外定位传感器11。如果菜盘位于上述液压机械手下方，现寻找中心在抓取菜盘。然后再依次抓取所有的盘子。如果盘子不在机械手下方，则先寻找盘子，在定位抓取。机械手寻找盘子旋转上述步进电机4控制。当所有盘子都抓取结束时，机器人通过步进电机控制180度掉头。返回函数主要控制其按原路返回。如果有一侧四个循迹传感器同时检测到黑线时机器人90度转弯。但第一测到机器人转弯但不计数。在整个全过程中如果避障传感器10测到障碍物，上述继电器模块直流电机继电器立即断开，机器人停止行走，待障碍物移开时机器人可继续行走。716 位液晶显示器 电器模块步进电机驱动红外接收头 遥控输入液压系统直流电步进电机11 21 314151617181 91100111 12 图48遥控器输入相应餐桌位置遥控器输入启动步进电机继电器置 直流电机置0步进电机纠偏 直流电机转动打开总电源 液晶屏显示图5、9机器人启动传感器返回值是否为0进电机转一定的角度纠偏液晶屏显示于r=于置0610到达指定桌位 液压泵继电器置0 手爪张开 是否有盘子步进电机旋转 步进电机旋转是否有盘子步进电机旋转30 是否有盘子步进电机旋转30机械手送菜独轮是否已转360置1臂前升手臂下降 手爪张开手臂上升 手臂收缩图8送餐结束 独轮旋转180直流电机传感器状态返回值 步进电机转一定角度X+1- 行号 是否为输入行号独轮转90 一侧4个检测到X=1X大于 离图912输入餐桌号并启动机器人前进函数前进函数前进函数 系统停止工作 是否有障碍有障碍物有障碍物有障碍物有障碍物无障碍物无障碍物无障碍物 进电机是数字控制电机，非常适合于用单片机进行控制。它将脉冲信号转变成角位移，且角位移量或线位移量与脉冲数成正比。即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。故而设计程序的关键是产生持续的脉冲，以控制步进的转动，设计程序定义了如下数据类型（考虑到后面可能会使用到的转动数据可能超过存储范围，设计成了长整型数据）：（进而控制旋转角度）; /占空比13，而控制步进电机的工作频率及方向。设计位定义如下：20;/接21;/接1进电机的速度控制是通过两个脉冲的间隔确定的，间隔越短越短，步进电机就转得越快。因而调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断。本送餐机器人的步进电机的控制考虑用单片机定时器2来产生脉冲即较于用简单延时程序，定时器更加可靠，能够使得控制更加精确。首先将定时器2初始化，使用语句频率t/1f 可知电机启动频率为10体脉冲产生程序如下：if(;i+;if(0;i=0;14在先是采用了常规的50%，经过诗集调试发现电机启动一下后产生空转，后测试发现该电机使用为适合。据表3机器人纠偏状态表，分别规划出机器人的不同纠偏状态指令，其中变量由此设计其纠偏部分程序如下：1; /8个传感器顺序接到单片机; /控制步进电机转角度数的变量;/步进电机右转函数;信号采集部分除了纠偏之外还有一个重要的环节计数，计数需要配合机器人底部传感器分布图中第9个传感器，每当左（右）四个传感器并上第九个传感器同时检测到黑线，即单片机）四位、给计数变量加1并判断是否与遥控器键入的值相等。个不慎发生碰撞极有可能损坏移动设别，或者是对所碰撞的物体造成损害。本送餐机器人使用在餐厅这种人流量密集的环境，更要防止机器人与人可能发生的碰撞。因此针对用餐人群，借助红外传感器对障碍人体进行检测，实现机器人的“避障”。其设置为普通I/来接收来自传感器的信号，该传感器有遮挡（障碍物）时向单片机传递低电平（0）信号，无遮挡（障碍物）时向单片机传递高电平（1）信号。基于此，设计避障函数程序如下： if(0) ; /关闭直流电机; /关闭步进电机000);if(0); /打开直流电机; /关闭步进电机当有障碍物即单片机接收到0信号时，单片机控制机器人停止即关闭步进电机以及控制独轮的直流电机。这期间传感器一直在传递信号，直到障碍物（人）离开机器人移动轨迹传感器无遮挡时，单片机将控制机器人继续移动，完成送餐。此函数仅设置在纠偏程序中调用。部分程序与机器人转弯控制算法程序之间相关，共同决定着机器人能否到达指定桌位，其具体送餐位置输入算法程序如下： /确定运行位置计算函数u=(s/10); /列确定v=(s%10); /行确定 /遥控器操作程序1) m2)（桌号）1s=; /1（按键）号桌（1,1），即转弯控制变量（桌号）2s=; /2号桌（1,2）/*控制启动程序如下*/;此程序设置为仅当时解码有效，上面程序 0也就意味着遥控器不再起作用，该语句的设置目的是使单片机跳出中断，以顺利进行循迹移动动作。该段程序中码值在中，针对型号遥控器使用范围广，其解码程序易于移植与修改。c=56+; /定时中断重新置零&(|08m+;c;m+; /取码if(m=32)m=0;f=0;m2=); /取码完成后判断读码是否正确机械手液压系统设计19-23以主要有手臂的升降、旋转、伸缩及手爪的张合，旋转主要依靠底部步进电机控制。因此选三个档案活塞缸，其动作顺序如下表所示。19动作顺序 手抓张开 + +手臂下降 + +手抓抓取盘子 + +手臂上升 + +手臂前伸 + +手臂下降 + +手抓张开 + +手臂上升 + +手抓收合 + +泵卸载 1p =降缸的计算： 1 1 2 2 p A F 1 2 211( )p 21 24 ( ) (1 )D mp p 依据液压设计手册表22，选取 = 24 D 依据设计手册表2取40mm,d=28行程选择320p 主工作腔压力，p 回油腔压力，据设计手册，A无杆腔活塞有效面积， 2m ；2A 液压缸有杆腔活塞的有效面积， 2m ；D、d液压缸活塞缸筒内径、活塞杆直径，m；液压缸最大负载力，N；液压缸机械效率，据上述计算方法，水品伸缩缸内径选择32程220。控制手抓张合缸内径25压马达排量： 3( )( / )m p m r 1 2p P p 式中 液压马达最小负载力矩，进、出油口压差，Pa;液压马达的机械效率，mV q n式中 过液压马达的最小流量压马达的最小转速液压缸及液压泵所需流量：21v=选用型号：轮泵，源为24此电机采用24V 速1500n/管管径4qd v 2式中q通过油管的最大流量V油管中允许的流速，s。d油管内径油管壁厚P管材抗拉强度n安全系数，q式中v油箱的有效容积液压泵的总额定流量取3计算得V=2图11电磁阀采用两位三通电磁阀，液压系统原理图如图，通过元件采购与组装、调试其实物如图：械手采用三爪结构，最大张开直径为170，同时保证4离盘子的高度，其采用3结构及机械手转配如图。液压缸与液压缸之间采用托架连接，用保证杠杆在动作是不发生转动，在竖直缸和水平缸上设有导向架。整体安装如图图1424参考文献1of a 83488.2. 50255.3, 1999.4 , , , a . C, 11002: 36985 H, L. of . 162008: 6626宋章军 陈春杰 高桥 吴新宇 徐扬生. 餐厅服务机器人的研制与开发J. 先进技术研究通报, 2009, (5): 17 宋婷. 室内移动机器人路径规划与定位技术研究D. 西安:西安电子科技大学, 施琴1, 曹爱武2, 朱和军1, 党丽峰1. 循迹机器人行走电机的调速控制J. 农业装备技术, 2012, 5(171): 46 王雁, 平倪, 皓琦, 杨振宏. 餐厅机器人的引导探索J. 传感器世界, 2011, 17(12):60赵海兰, 董袁泉, 白静雷. 语音播报循迹机器人的设计与研究J. 电子世界, 2011,(9): 41耶晓东. 微计算机信息简易机器人寻迹的设计J. 微计算机信息, 2008, 24(32):2412宋婷. 室内移动机器人路径规划与定位技术研究D. 西安:西安电子科技大学, 3迟瑞娟, 付, 兵, 刘吉孟. 一种寻线机器人实时控制系统的研究J. 机器人技术,2009, 25(2): 2014张辰贝西, 黄志球. 种基于红外光电传感器的自动导航车系统J. 信息技术, 2011,(3): 1055冯笑笑, 胡佳娟, 吴偏偏, 姜付兵. 红外光电传感器的性能分析与应用J. 苏 州 大学 学 报(, 2012, 32(1): 126王宇洋, 许志, 杨柳, 张家一, 张晓亮. 循迹小车的追踪与避障J. 山西电子技术,2012, (5): 287曹开田. 基于单片机的红外遥控密码锁的设计与实现J. 中国仪器仪表, 2006, (3):938吕霞付, 罗 萍. 基于光电传感器的智能车自动寻迹系统设计J. 压 电 与 声光, 2011, 33(6): 9409械工业出版社，2007(7)：50林建亚, 丁凡. 液压机械手握力的软抓取控制J. 液压与气动, 1987, (2): 111防工业出版社，2007：422张利平. 液压传动系统设计与使用M. 北京:化学工业出版社, 201026附录：开题报告（或数据报告） 体结构的设想论文的总体结构将做如下安排：厅智能服务机器人及相关智能服务机器人的机械结构、控制系统、检测系统的研究状况、市场上已投入运作的相关机器人其主要的控制方式。出总体方案设计及布局。测系统及控制系统三大部分进行研究。并进行机械系统设计、检测方法及传感器的选择、控制程序的编写。验并分析。5根据理论及实验分析，得出结论。要解决的问题1调整传感器及控制方式，保证机器人在行走时的稳定性，机器人在循迹行走时不偏离设定轨迹。保每次能找到、抓到盘子并将其送至餐桌。3 主要工作1时确定所需要的零件的品牌和型号。感器和控制程序进行运动调试。智能餐厅服务机器人及其相关智能服务机器人技术的基础理论与应用研究在人民生活水平不断提高、科技日新月异的时代，机器人将逐步走入人类的日常生活，与人类友好共处，是未来社会生活发展的必然趋势。服务机器人系统技术不仅是智能机器人发展的前沿技术，也是引领人类未来生活新模式、培育机器人新产业革命的一种核心技术。智能机器人领域起源欧美发达国家,自动化控制技术现在日本、德国、法国等发达国家领先于各个国家,但真正应用民用行业的还十分罕见,日本早期研制出一款类人型服务机器人,技术先进,但仅限于技术研发,突破相关技术问题,实用性不强。智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。智能服务机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技实力和发展水平的重要标志，目前国际智能服务机器人研究主要集中在德国、日本等国家，并成功将智能服务机器人应用于各个行业中，我国近些年在智能服务机器人研究方面也取得很多进展，很多机器人研发公司将研究重点转向智能服务机器人开发。而作为餐厅这样一个服务型行业，智能机器人以替代人工的劳动也显得尤为重要。餐厅服务机器人的研究主要依靠于机电一体化技术，将计算机控制、电机控制技术及机械有机构有机的配合起来，通过传感技术实现形高精度、高可靠性、的智能服务，大多数机器人控制系统控制系统主要依托于51单片机来控制。如北京工业大学的“轮式智能自主移动服务机器人”其主要工作原理是采用了图像采集系统来对机器人周围环境进行分析计算,进行导航。行走模式为轮式,上部为复杂的前后移28动可动式机械结构。理论上存在可行性,实际运营中存在两个最大的技术难点,由于上身复杂机械结构和大数据复杂的图像运算都需要比较大量供电系统,在实际服务过程中存在供电不足现象。第二由于其数据定位是给予图像计算,因此其计算的反应速度将远远达不到现实要求的速度,实际服务过程中严重影响客户的服务体验。再例如深圳先进技术研究院的“一种餐厅服务机器人系统”此项系统设计包括了,控制模块、行进模块、交互模块、感知模块、执行模块。各种电子模块很多,但回避了一个机器人最基本的功能,就是机器人如何到达其所要到达的位置,如何定位机器人所在位置,及机器人在到达过程中遇到障碍,躲避后路线选择的问题。本较高，不适用于实际生活，如北京工业大学的“轮式智能自主移动服务机器人”其主要工作原理是采用了图像采集系统来对机器人周围环境进行分析计算,进行导航。行走模式为轮式,上部为复杂的前后移动可动式机械结构。理论上存在可行性,实际运营中存在两个最大的技术难点,由于上身复杂机械结构和大数据复杂的图像运算都需要比较大量供电系统,在实际服务过程中存在供电不足现象。第二由于其数据定位是给予图像计算,因此其计算的反应速度将远远达不到现实要求的速度,实际服务过程中严重影响客户的服务体验。再例如深圳先进技术研究院的“一种餐厅服务机器人系统”此项系统设计包括了,控制模块、行进模块、交互模块、感知模块、执行模块。各种电子模块很多,但回避了一个机器人最基本的功能,就是机器人如何到达其所要到达的位置,如何定位机器人所在位置,及机器人在到达过程中遇到障碍,躲避后路线选择的问题。再如山东大陆科技有限公司设计的一款设置有控制器以及与控制器连接的动力装置、驱动装置、行走装置、无线信号传输装置和语音装置的餐厅服务机器人主要依靠磁条循迹，通过磁性传感器、读卡器和若干存有编号数据的磁性增强卡,设置在29每个餐位处并且其编号数据与餐位顺序编码相对应,所述磁性传感器和读卡器与控制器连接,磁性传感器用于检测导轨的磁性信号,读卡器用于读取主体所经过的磁性增强卡的编码数据,所述控制器用于根据磁性信号确定导轨位置,同时判断接收到的编号数据与预设的餐位顺序编码是否对应，虽然说此设计较前两种设计已是简便不少，可是在实际餐厅磁条如何铺设也是一种问题，而且无法实现机器人的360度转弯，无法实现沿原路返回。同时所有机器人只能提供将菜送至桌旁，无法
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