智能家庭服务机器人设计

智能家庭服务机器人设计

贾钧尧 1 窦威 2 李家辰 3 孙悦 4 李雨桐 5

辽宁科技大学 , 辽宁省 鞍山市 114000

摘要：随着科学技术的发展，我国的机器人应用越来越广泛。随着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；设计；人工智能

引言

家庭智能机器人的运行主要聚焦在家庭中的生活场景和行为，感知能力和交互能力更高。因此，对于此类产品的开发和设计而言，进行深入的人机交互可用性以及造型研究就显得非常关键。当下，此类产品的开发流程仍然是凭借设计师的主观经验，采用手绘、计算机三维仿真、样机制作等方法来推进。设计方案定稿之后，通过制作样机来反复测试产品和用户的人机交互可用性以及修改整体造型设计方案，导致开发周期很长。

1项目背景

近年来，火灾对人们的影响越来越大。例如国外的澳洲大火烧了4个多月，600多万公顷土地已被大火蹂躏，并向空气释放了足足4亿吨二氧化碳，让数以亿记的生物没有了家园。还有国内的凉山火灾，无情的带走了31名救火英雄的生命。如果能及时发现火灾情况，就不会有这么悲痛的事情发生。现在的家庭火灾和商场火灾越来越多，都在不经意间燃起熊熊大火，所以说我们的智能安保机器人应运而生，从而减少安全事故的发生，减少生命财产损失，让消防工作不再是高危职业。

2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，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。（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。

3设计内容

3.1明确设计目标

服务机器人设计目的是为了产品造型符合用户需求，让用户在意识上达到共鸣。因而采用意象仿生使产品造型变得柔和，并匹配用户熟知的生物进行仿生，增加用户对产品的熟悉感和亲切感，达到医疗服务机器人对用户意识产生积极影响的效果。

3.2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。

3.3充电桩设计

机器人充电桩位于使用场景位置内。在使用充电桩地充的情况下，充电桩上设有带弹性的白铜片，机器人底盘处设于纯平白铜片，在远处通过激光雷达识别到充电桩回充部位，使得逐渐靠近充电桩。近端通过双目摄像头设别充电桩“V”形判断左右间距大小，从而控制机器人电机，调整自身姿态，抵近充电桩，双目摄像头也能探测到“V”形状底部三角平面进而发挥双目摄像头的测距功能，以达到使得机器人停在正确充电的位置。同时设在机器人底部的充电白铜片也有一定的误差尺寸。对接后的尺寸可以允许左右10mm的误差。在对接中充电桩上白铜片是“波浪形”设计，以便在停机状态下，白铜片产生一定的形变，以防在充电状态下出现抖动，保证充电过程的安全进行。充电完成后电池BMS控制板给机器人发送信号。机器人自动脱离充电桩，继续执行任务。在使用充电桩无线充电状态下，充电桩前部设计左右摇摆的无线充电臂在远处通过激光雷达识别到充电桩回充部位，使得逐渐靠近充电桩。近端通过双目摄像头设别充电桩“V”形判断左右间距大小，从而控制机器人电机，调整自身姿态，抵近充电桩，双目摄像头也能探测到“V”形状底部三角平面进而发挥双目摄像头的测距功能，以达到使得机器人停在正确充电的位置。同时在近端充电桩与机器人的本体充电姿态中设置了左右25°的容错角度。

3.4语音交互操作

在人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉这五感中，听觉非常重要，对于任何类型的用户而言，语音都是最自然的交流方式。此外，语音交互，让用户进行多任务的操作处理。机器人2的评分无显著差异，说明老年人与年轻人一样，都喜欢用语音交互方式来控制机器人播放他们各自感兴趣的娱乐休闲节目。这是因为语言是传递信息和交流沟通的最重要手段，用户进行语音交互的学习成本最低，又可以解放双手，同时处理多个任务。因此，智能机器人要想在情感交互体验上取得突破，必须在语音交互方式上去重点思考和设计。因为语音交互方式让用户在使用机器人时更像是在和一个有生命力的对象交流，感到机器人“能听、会说、懂你”，从而得到良好的人机交互反馈。

3.5智能控制模块

机电一体化和智能控制已经成为当今机械行业的重要发展趋势，且随着各种智能家居的兴起，家用电器之间的协同工作也变得越来越重要。为实现本家庭服务机器人的正常工作，防止机器在运行时出现与家具或家庭成员发生碰撞或用力大小不均等问题，在机器人内部安装智能控制模块，对机器人的运动路径、施力大小进行合理有效的控制。

结语

综上所述，本文通过组间重复测量实验的方法对年轻人和老年人使用家庭智能机器人可用性和造型感知的主观差异进行了量化研究，发现两类人群的可用性和造型评价存在显著差异，探究了产生差异的内在原因，并归纳了具体差异的表现形式。研究认为智能家庭机器人走进日常家庭生活中后能让每一位家庭成员都有机会感受智能科技带来的便捷，设计应当尊重用户的差异性，充分满足不同用户的需求，更好提升他们的使用体验。

参考文献

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基金项目： 辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目经费支持（项目编号：s202010146037）