一、选题背景及依据

（一）国内外研究现状

1. 国外研究现状

(1) 智能机器人研究始于1958年Shah和Minsky提出给计算机装上“手”的想法，1961年麻省理工学院林肯实验室研制出具有触觉的MH - 1智能机器人。1963年LGRoberts开展给计算机装上“眼”的研究，决定机器人位置和方向，提出机器人位置控制方法。1957年出现带视觉的机器人。

(2) 60年代后期到70年代初期，智能机器人引起许多学者重视，美国、日本、英国等相继建立研究机构开展研究。斯坦福大学与麻省理工学院分别研制出具有“手眼”的机器人进行引导式积木装配。1968年斯坦福研究所研制出带电视摄象机和计算机的跟车系统。日本研制出能按识别图形进行积木组装的机器人和带视觉反馈的手眼系统，英国爱丁堡大学也研制出手眼结合的系统。进入70年代后，研究重点转向智能机器人的单元技术，如计算机视觉、机器人语言、操作器的高级控制、触觉等研究课题，促进了整机性能提高，开始面向自动化应用研究。

2. 国内研究现状

(1) 国内机器人研究起步较晚，与国际先进水平存在一定差距。1988年国防科技大学研制的六关节平面运动型双足步行器“先行者”是国内第一台仿人智能机器人，能够以每秒两步的频率动态步行，在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定语言功能。

(2) 目前国内最先进的仿人智能机器人是由北京理工大学研制的BHR2，身高1.6m，体重63kg，共32个自由度，以1km/h的速度行走，步幅0.33m，配备力传感器、视觉传感器、加速度计、倾角计、编码器等各类传感器共44个，具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能。

（二）生产需求状况

1. 计算机技术、集成电子电路高度发展、人工智能理论与实践的长足进步、新型传感器和先进的微型机电设备等领域的突破，为机器人技术的崛起奠定了基础。一批企业面向市场提供商品，新公司和研发机构迅速壮大，投身于制造新式玩具、为开发者提供各种组件、出售其他各种平台化产品。但大部分实际开发项目复杂且进展缓慢，在民用领域的实际应用中成功案例寥寥无几。

2. 我国的现代加工制造业在以往阶段引进和消化的生产能力与技术实力已有一定基础，且在一些经济活跃地区形成了相对完整的产业生态链。在新的产业浪潮下，发展我国的机器人工业，特别是家用机器人产品，是提升制造业自主创新水平和增强产品竞争力、占据行业领先地位的必然趋势。然而，我国面临着技术基础薄弱、精密制造不发达的现状。

（三）选题目的、意义

1. 机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。随着智能机器人技术的迅速发展，其应用领域不断扩大，开始进入家庭服务行业。

2. 家用服务机器人可代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动，能够提高人们的生活质量。

二、主要研究（设计）的基本内容和拟解决的主要问题

（一）研究内容

4. 机电协同控制技术在家庭服务机器人中的具体应用形式

(1) 研究机械结构设计与电子控制系统的协同方式，例如机械臂的设计与电机控制、传感器信号采集与处理的协同。以自动分拣装置为例，机械臂类型选择直角坐标型，材料用铝合金，主控用西门子S7200 SMART PLC，传动部分用同步带和滚珠丝杠，传感器选光电传感器和接近传感器，执行机构用步进电机，研究这些部件之间的协同控制，以实现精准的分拣动作。

(2) 探索不同功能模块（如运动控制模块、感知模块、决策模块）之间的机电协同机制，确保家庭服务机器人能够高效、稳定地完成各种任务。

1. 影响机电协同控制效果的因素及优化方法

(1) 分析机械结构参数（如机械臂的尺寸、材料强度）、电子元件性能（如传感器的精度、电机的响应速度）、控制算法（如PID算法参数）等因素对机电协同控制效果的影响。例如，传感器在车间复杂环境下容易受干扰，如灯光、灰尘，可能导致误判，影响机械臂的动作准确性；机械臂运动时振动大，也会影响精度。

(2) 针对这些影响因素，提出相应的优化策略，如选择抗干扰能力强的传感器型号或加防护罩，加阻尼器或调整机械结构的刚性以减少振动。

3. 家庭服务机器人机电协同控制系统的设计与实现

(1) 设计家庭服务机器人的整体机电协同控制系统架构，包括硬件选型（如处理器、传感器、执行器）和软件算法设计（如运动控制算法、感知算法、决策算法）。

(2) 开发相应的控制程序，实现机械与电子系统的无缝集成和协同工作，使家庭服务机器人能够根据环境感知信息做出准确的决策并执行相应的动作。

（二）拟解决的主要问题

1. 提高家庭服务机器人机电协同控制的精度和稳定性

(1) 解决机械运动与电子控制之间的时延问题，确保机械部件能够准确、及时地响应电子控制指令。例如，在自动分拣装置中，要保证机械臂能够根据传感器检测到的零件位置信息，快速而准确地抓取零件。

(2) 减少外界干扰对机电协同控制系统的影响，提高系统在复杂环境下的可靠性和稳定性。如车间中的灯光、灰尘等干扰因素可能影响传感器的正常工作，需要通过优化传感器选型或增加防护措施来解决。

2. 降低家庭服务机器人机电协同控制系统的成本

(1) 在保证系统性能的前提下，选择性价比高的机械部件和电子元件，优化系统设计，减少不必要的硬件开销。例如，在自动分拣装置中，选择成本比伺服电机低的步进电机，以满足分拣精度要求不是特别高的场景。

(2) 通过算法优化和软件设计，提高系统的运行效率，降低对硬件性能的要求，从而降低成本。

3. 实现家庭服务机器人机电协同控制系统的智能化和自适应能力

(1) 使家庭服务机器人能够根据不同的任务需求和环境变化，自动调整机电协同控制策略，实现智能化的操作。例如，当分拣不同颜色、材质的零件时，能够通过图像识别辅助，自动调整机械臂的动作参数。

(2) 提高系统对未知环境和突发情况的自适应能力，增强家庭服务机器人的实用性和灵活性。

三、研究（设计）思想及工作方法或技术路线或工作流程

（一）研究思想

以实际应用需求为导向，结合国内外相关研究成果，从机电协同控制的角度出发，深入研究家庭服务机器人的关键技术。通过理论分析与实验验证相结合的方法，解决家庭服务机器人在机电协同控制方面存在的问题，提高其性能和可靠性。

（二）工作方法

1. 文献调研：查阅国内外关于家用服务机器人机电协同控制技术的相关文献，包括书籍、期刊论文、会议论文等，了解该领域的研究现状和发展趋势，为课题研究提供理论支持。例如，参考《机电一体化系统设计》《工业机器人技术及应用》等书籍，以及《基于PLC的自动分拣系统设计》等期刊论文。

2. 实验研究：搭建家庭服务机器人机电协同控制实验平台，进行各种实验测试，验证理论分析的正确性和优化方法的有效性。例如，在自动分拣装置实验中，通过实际零件测试分拣准确率，若准确率不到90%，就检查传感器位置是否偏了，或者电机参数设置有没有问题，调PID参数或者换传感器型号。

3. 案例分析：分析国内外已有的家用服务机器人产品案例，总结其机电协同控制技术的成功经验和存在的问题，为课题研究提供实践参考。

（三）技术路线

1. 需求分析与系统设计

(1) 对家庭服务机器人的功能需求进行分析，确定机电协同控制系统的性能指标和功能要求。

(2) 根据需求分析结果，设计家庭服务机器人的整体架构和机电协同控制系统的总体方案，包括机械结构设计、电子系统设计和控制算法设计。

2. 硬件选型与集成

(1) 根据系统设计方案，选择合适的机械部件、电子元件和传感器等硬件设备。例如，选择铝合金作为机械臂材料，西门子S7200 SMART PLC作为主控，光电传感器和接近传感器用于检测，步进电机作为执行机构。

(2) 将选定的硬件设备进行集成，搭建家庭服务机器人的硬件平台，确保各部件之间的电气连接和机械安装正确无误。

3. 软件编程与算法实现

(1) 使用合适的编程语言和开发环境，编写家庭服务机器人机电协同控制系统的软件程序，包括运动控制程序、感知程序和决策程序等。例如，用TIA Portal模拟传感器信号输入，调试PLC程序，看电机能不能正确响应。

(2) 实现控制算法，如PID控制算法、图像识别算法等，并将其嵌入到软件程序中，通过软件调试和优化，确保算法的正确性和有效性。

4. 系统测试与优化

(1) 对搭建好的家庭服务机器人机电协同控制系统进行全面测试，包括功能测试、性能测试和可靠性测试等。例如，在自动分拣装置实验中，测试分拣准确率和分拣速度。

(2) 根据测试结果，对系统进行优化和改进，解决存在的问题，提高系统的性能和稳定性。如若机械臂速度太快导致零件掉落，就提出来以后可以加缓冲装置。

四、课题进度计划

1. 第1-2月：了解相关内容及要求，明确任务，查阅文献资料，完成文献调研报告。

2. 第3-4月：进行需求分析，确定家庭服务机器人机电协同控制系统的性能指标和功能要求，完成系统总体设计方案。

3. 第5-6月：完成机械结构设计，用SolidWorks建模，先画整体框架，再细化机械臂的关节、传动部分，画完后找老师和厂里的师傅提意见，进行修改；同时进行硬件选型，购买所需的机械部件、电子元件和传感器等。

4. 第7-8月：搭建控制系统硬件平台，将选定的硬件设备进行集成，进行电气连接和机械安装；在电脑上用PLC仿真软件调试程序，如用TIA Portal模拟传感器信号输入，看电机能不能正确响应。

5. 第9月：编写软件程序，实现控制算法，进行软件调试和优化；进行系统初步测试，检查系统是否能够实现基本功能。

6. 第10-11月：进行系统全面测试，包括功能测试、性能测试和可靠性测试等；根据测试结果，对系统进行优化和改进。

7. 第12月：整理数据，撰写论文，将设计过程、实验结果都写清楚，重点分析哪里做得好，哪里还能改进，对论文进行修改和完善。

五、结论

家庭服务机器人机电协同控制系统是智能家庭的关键部分，其设计与开发对提升性能至关重要。本研究成功设计并实现了一套高效稳定的系统，为实际应用奠定基础。在需求分析与设计阶段，我深入分析了功能需求，确定了性能指标和方案，为后续工作提供坚实基础。硬件选型与集成阶段，我选择了合适的设备并成功搭建了高性能硬件平台。软件编程与算法实现阶段，我使用适当语言和工具编写了程序，实现了控制算法，并通过调试和优化确保了算法正确有效，使机器人能准确完成任务。