作者：李欣原 聂子杰
来源：《设计》2021年第04期
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摘要：随着人们对生活质量要求不断提高，家庭机器人渐渐走入百姓家。家庭功能性机器人需求日益增长，不同的需求需要数个专门机器人分别实现，对家庭空间和经济状况都有较高要求，成为机器人铺开的一大阻力。文章设计了一款多用途家庭服务机器人SuperCare。通过三类主要机械电气装置的组装结合，能实现机器人的人车双形态变化。SuperCare机器人同时满足搬运重物、抓取物品、儿童娱乐的需求，降低人们家务劳动强度。在满足多种家居智能化需求的同时减少不必要经验资源与家庭空间的占用。该机器人能帮助现代人提高家居生活品质，也为下一代集成机器人在人机交互设计上提供了新思路。 关键词：家庭服务 机器人 少年儿童 设计人工智能
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2021）02-0102-04
引言
随着人类经济社会的不断发展、物质文明的不断提升，人们的生活水平不断提高，对
生活家居的质量要求也不断提高【1】。使用机器代替人来完成家庭中的清洁卫生、物品搬运、儿童教育、家电控制等任务，将人们从繁杂的家务中接触放出来，成了当下越来越多人的生活理念。除此之外，近年来人类科技的突飞猛进也使得越来越多的智能家庭机器人从科幻作品以及概念设计，走入寻常百姓的家中，人们对于家庭机器人的接受程度大大提升。未来几年内婴幼儿的数量将持续增加，家庭中少年儿童的看护陪伴便显得尤为重要。
目前的家庭服务机器人功能较为单一，需要配置多个机器人才能满足人们的需求，成本较高。此外，家庭中仍有许多体力劳动如搬运重物等，在日趋智能化、自动化的当下，人们迫切希望这些工作能够由机器完成。
中青年对于生活便利性服务的期望大多来自家务活类，如扫地、搬重物、擦玻璃等，也有生活质量方面，如衣服的筛选、整理等。对于3-7岁的孩子们娱乐的方式主要有玩遥控车、玩积木、过家家等。而孩子们对于娱乐方式更多的是会选择多的种类，单一的娱乐方式很容易让孩子们产生厌倦心理。为此，我们提出并设计一款新型家庭服务机器人，在家务上不仅能提供日常的便利服务，还能提供一些个性化的便利服务，以满足中青年高品质的生活要求。同时，在孩子们的娱乐方式上，通过人机交互和一些机械的辅助，帮助孩子们在家庭中完成更多的，属于他们的娱乐项目，如图1。
一、设计意义
本设计倾向于机器人的机械结构设计，通过结合功能进行项目结构的详细设计，由功能出发，采用“自顶而下，逐步求精”的设计思想【2】，设计了三大功能模块，再由此出发进行详细的结构设计。最后，本文针对实际情况，使用inventor对机器人进行了设计和分析、包括机械手运动设计、机械腿运动设计，各种传动机构的设计。对不同的机构进行组合创新、应用创新，最终实现预期目标。其具体设计功能特点在于： 1.在人形机器人状态下，机器人的移动方式为站立行走，大型机械臂可以帮助家庭成员搬运较重的物品或者把一些物品移动到人手难以到达的高处;小型夹持机械手则能够帮助家庭成员完成较小物品的拿取、移动，如递水杯、夹衣服等运动。
水管堵头 2.当机器人不被使用，处于静止状态时，其机械腿将弯折至一定角度并锁死，机械臂自动摆放至水平，整个机器人呈椅子形态，可供家庭成员使用、休息。
3.在车形机器人状态下，机器人的移动方式为轮胎移动，家庭中的儿童可骑在机器人的背部，机器人作玩具车供儿童娱乐。小型夹持机械手旋转至竖直，使用者可在背上抓住机械手，以防止意外滑落。
家庭中使用本机器人，人们可以减轻家中体力劳动量，让儿童得到陪伴与娱乐，提高生活幸福感与品质。
二、设计内容
（一）整体设计
SuperCare家庭服务机器人针对家庭实际场地、人体实际常规尺寸以及家庭服务需求进行了创新性设计，并采用模块化设计思想，增强了机器人的实用性与功能性。本机器人主要实现对重物的搬运功能、对普通物品的夹取移动功能以及陪伴儿童的娱乐功能。本机器人共分为两种模式，一种是人形机器人状态，一种是车型机器人状态。两种模式的整体模型图如图2、3所示：
（二）机械臂设计，如图4
机械臂模块主要分为五部分：上机械臂、下机械臂、驱动轮胎、液压连接机构以及机械爪。由于本结构主要负责较重物品的搬运，因此采用液压驱动作为主要动力，增强机械臂的负载能力，当机械臂搬运重物时，机械臂上的小型油泵从装置总油池中抽取液压油，
驱动机械臂进行运动。除此之外，上机械臂与下机械臂之间还采用弹簧阻尼杆进行辅助连接，通过PID算法确定该系统中MKC的具体值，确保机械臂响应的快速性、稳定性、准确性。机械爪的驱动则选择普通步进电机配合斜齿、锥齿轮传动系统，以提高机械手运动的精确性和平稳性，保证安全、准确地夹取所需物品【3】，如图5。
通过机械臂的机构原理图可以清晰地看出机械臂的自由度以及各零件部件之间的运动关系，整个机械臂与身体部分之间的旋转运动通过电机驱动，行星齿轮减速机构進行降速以及旋转，行星减速器体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、运转平稳、噪声低的特点，动力由电机主轴输出至减速器的太阳轮，太阳轮带动环绕其周围的三个行星轮转动，减速器的最外圈是一个固定的内齿轮，三个行星轮与之啮合并围绕其中心作公转运动，行星轮带动一个三爪行星架绕中心进行旋转，三爪行星架的另一端与机械臂相连，当电机旋转时，机械臂将以所设定减速比而得到速度进行旋转。该部分的模型图如图6所示：
机械臂的驱动轮胎部分位于下机械臂的前端，机械爪的后方，通过电机配合直齿与锥齿轮减速装置将其带动，传动比精准，位移准确4。轮胎表面的人字形设计可以增大轮胎与地面之间的摩擦力，保障车体的安全行驶，该部分齿轮传动的传动机构见图如图7所示：
1.减速器校核，如图8
本装置的机械臂减速装置采用行星减速机构，根据装置中行星齿轮的使用条件可知，该行星轮属低速、中载，重要性和可靠性一般的齿轮传动动。因此可选用软齿面齿轮，也可选用硬齿面齿轮。在此选用硬齿面齿轮对其进行校核计算5，其计算过程如下：
太阳轮：45MnB，调质处理HB240-285
行星轮和齿圈：45号钢.调质处理HB217-286
圆周速度《0.3m/s，所以选择精度9。
传动比i=1.5，
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根据齿轮的齿根弯曲强度进行设计，
太阳轮参数：
Z=60，YFa=2.80，Ysa=1.55，Ys=4.34
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行星轮参数：
Z，=40，YF.=2.40，Ysa=1.67，Yps=4.00
齿圈参数：
Z，=140，Y=2.18，Ys.=1.79，YFs=3.90
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