送餐机器人的设计与研究

38 | 电子制作 2018年6月

1 送餐机器人机械结构的设计

应用仿生学原理，模仿人体结构及功能，送餐机器人机械结构划分为头部、躯干、手臂、下肢几部分。通过对人体的关节的观察可以发现，人体的构型为单自由度运动副，2、3自由度并联运动副相串联的混联构型。送餐机器人工作过程中需要完成移动、摆盘、观察分析周围环境等动作，因此可以有针对性地简化人体结构，简化机器人下肢结构、腰部结构、颈部结构、手臂结构，降低机器人结构的复杂性，降低控制难度。

■1.1 头部结构

作为仿人型结构，送餐机器人头部应模仿人体头部设计“眼睛”、“耳朵”、“嘴巴”完成视觉检测、声音检测、声音输出的功能。三种机构通过传感器接收信号，传递到中央计算机完成分析处理，将信息再反馈到执行机构完成运动，“眼睛”、“嘴巴”不仅需要预留传感器的安装位置，为了提高拟人性、扩大检测范围，还需要实现一定的拟人化运动。

眼睛转动机构：人体的眼球的上下运动、左右运动是同时、同向进行的，可采用电机驱动连杆机构的原理进行设计如图1所示。

机构通过电机驱动曲柄，连杆机构传动，最终驱动眼睛转动。两个电机不同的工作状态的组合可以实现不同的转动方式。 图1 眼睛连杆机构

嘴巴采用曲柄滑块机构，通过

电机驱动1杆旋转，传动到滑块

上升、下降驱动嘴巴下嘴唇张合。

机器人头部与身体连接部分

参考人体结构，发现具有前后摆

动、左右摆动、旋转三个自由度。

采用万向节与主轴的结合即可，

电机驱动主轴实现旋转，万向节

作为中间构件实现前后摆动和左

右摆动。

■1.2 躯干结构

躯干和下肢是人体的主要支撑部分，送餐机器人不需要在过于复杂的地形上工作，且完全仿照人体设计，控制难度太大，因此对机器人机构进行简化。人体腰部具有两个自由度，旋转、前后摆动。两个自由度分别实现了转向和改变高度两个功能。人体的腿部结构则以具有更为复杂的结构，实现那人体的移动。因此可以将腿部简化为带有轮子的底盘，在底盘与机器人主体之间增加液压结构实现机器人主体的升降。底盘与机器人主体通过主轴连接，电机驱动主轴实现机器人主体的旋转。

■1.3 手臂结构

送餐机器人手臂的设计参看人体手臂，具有七个自由度，肩部、肘部、腕部、大臂、小臂。送餐机器人不需要实现如此复杂的运动，综合控制难度与功能必要性可以考虑圆

图2 嘴巴曲柄滑块机构

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信息工程

柱坐标型机械臂。 图3 机械臂结构示意图

升降机构与机器人主体连接，具有一个自由度实现机械

臂的竖直方向上升和下降。旋转机构和伸缩机构实现水平方向旋转和伸缩功能，旋转装置具有两个自由度，为机械臂提供了更大的工作范围、更好的灵活性。腕部是具有一个自由度的转动副，为了保证爪子时刻保持竖直向下防止餐品倾

洒，在腕部增加平衡仪。

2 送餐机器人控制系统的设计

控制部分主要由Arduino 单片机，超声波避障模块，

传感器模块，电机驱动模块，电机模块等组成。厨师将菜品摆放在送餐机器人的托盘上以后，输入桌子编号后，送餐机器人即向指定桌子前运动。待运动到指定位置后，由机器人身上的红外传感器确定所在位置对机器人位置进行负反馈调节，待位置精确后，启动机械臂摆盘装置。菜品摆放完毕

后，进行复位，机器人返回厨房待命。系统总体逻辑如图4所示。

图4 系统逻辑结构示意图

■2.1 运动过程的控制

机器人在送餐过程中按照系统中规划好的路线向餐桌

方向运动，为了防止机器人在运动过程中遇到障碍物，或者对人员造成伤害，系统增加了避障功能。系统采用了HC-SR04超声波测距模块，可以实时测得机器人机身与障碍物之间的距离，并将其通过串口发送给Arduino 控制器，当距离小于安全数值时，Arduino 会出发内部中断，立即停止运动，并触发警报装置，提醒顾客注意安全并让开道路。HC-SR04的有优秀的性能，能在较广的侦测范围内有很高

的侦测精度。 ■2.2 摆盘过程的控制

机器人在运动到桌子边指定位置以后，开始执行摆盘动

作，根据预定程序，摆放到指定位置。

图5 超声波避障模块交互模型2.2.1 餐盘位置识别

在送餐机器人的托盘上增加两个定位点，即在托板上选

定点增加两个凸起，每个定位点加上一个压力传感器模块，采用定制的盘子，定制餐盘底部有凹陷，与托板上的定位点相配合。压力传感器模块采用压力传感器外加HX711AD 模块，实现对托板的压力测试，通过AD 转换模块将托板上定位点处有无餐盘信息传送给Arduino 控制器，Arduino 通

过内置程序控制电机运动，完成餐盘的抓起。

2.2.2 餐盘的摆放

根据实验桌子的高度，将一个红外测距传感器模块添加

在送餐机器人相应高度上。红外传感器模块实时监测机器人的机械臂距离桌子的高度，达到预设值后，机器人停止运动。

从而在爪子在抓起盘子后，在相应高度停下，根据预定的摆放位置，有序的摆放餐盘。 ■2.3 驱动电机的控制

机器人工作过程中旋转、伸缩等功能的完成都依靠电机

的驱动，文章以机械臂工作过程中电机的控制原理为例进行说明。机械臂包括了升降机构、旋转机构、伸缩机构、机械

爪四部分，一共五个电机。

2.3.1 升降装置电机的控制

升降功能的实现由一个高精度丝杠实现，因为丝杠的运

动具有高精度，大扭矩的特点，故采用了一个57BYG250B

步进电机安装在丝杠的顶部，电机旋转带动丝杠转动，从而控制机械臂在竖直方向的升降运动。Arduino 通过TB6600

驱动器与步进电机相连接，控制步进电机的运动，其连接图如图6所示。

图6 Arduino——步进电机驱动器共阳极接法2.3.2 旋转装置和伸缩装置电机的控制

机械臂在夹取餐盘后，需要将餐盘放到桌子上。该动作