Krabot 技术落地方案

深入了解我们如何将仿生蟹式设计理念转化为革命性的清洁解决方案

需求分析

在设计Krabot之前,我们进行了深入的市场调研和用户需求分析,确定了以下关键功能需求。这些需求直接指导了我们的技术方案设计和产品功能优先级排序。我们将扫地机器人的痛点归纳为四个主要场景,每个场景对应不同的核心需求。

痛点场景 具体任务 示例语音指令 任务描述 技术难度 优先级 备注
清洁效果痛点场景
顽固污渍处理 "这里有果汁污渍,擦干净它" 一臂喷洒清洁剂,另一臂持刷子进行精准擦洗
用户高频痛点
缝隙清洁 "把沙发缝隙的碎屑清理一下" 双臂配合翻起/移动物品+深度吸尘
传统扫地机死角,核心痛点
窗户框架清洁 "清洁一下窗户底部框架" 一臂固定窗帘,另一臂精准清洁窗框凹槽
传统清洁难以触及区域
物体底部清洁 "清理垃圾桶底下" 双臂环抱或抓取物体,移动清扫底部后复原
扫地机器人难以触及区域
宠物区域深度清洁 "帮忙清洁一下宠物食盆区域" 识别宠物食盆区域+移动食盆+清洁+归位
宠物友好功能
导航和避障痛点场景
临时障碍双向搬移 "路上有拖鞋,帮我挪一下" 双臂抓取障碍物两侧,移开清洁后精确放回
自主清洁推进力
桥接通行 "去阳台打扫一下" 双臂前后撑地形成桥接支撑,越过门槛障碍
突破环境限制
双手绕线通行 "小心地上的电线" 双臂抬起线缆创造无障碍通道,通过后轻放回原位
避免线缆缠绕和损坏
卡困场景自救 "好像卡住了,自己出来" 双臂撑地或抓取固定物体帮助自身脱困
用户高频痛点
地毯/地垫翻折清扫 "把门口垫子翻起来扫干净" 机械臂夹取/折叠地垫+清扫+归位
玄关/厨房/浴室常见
免维护痛点场景
基站内部自清洁 "清理一下集尘盒和基站" 使用一次性用品对基站内部清洗槽、充电触点清洁
长效运行关键功能
基站垃圾袋更换 "垃圾袋满了,换一个新的" 双臂取出旧垃圾袋,安装新袋
增强自主性
滤网清洁 "清理一下滤网" 双臂协作取出滤网,清理堵塞物,重新安装
自维护核心功能
边刷调整与清洁 "清理一下边刷上的头发" 一臂固定边刷,另一臂清理缠绕物并调整角度
解决毛发缠绕问题
传感器自清洁 "清理一下传感器" 检测传感器脏污时,使用专用工具进行精准清洁
保障感知系统稳定
智能化痛点场景
物品整理 "客厅的玩具收拾一下" 识别散落物品,双臂抓取并放至指定位置摆放整齐
适合儿童家庭
宠物食盆清洁补充 "给小狗添加食物" 检测到宠物食盆或水盆空了,按键补充食物或水
宠物友好功能
窗帘开关 "拉上窗帘" 根据日照情况,双臂拉开或拉上窗帘调节室内光线
智能环境调节
花卉植物照料 "给客厅的绿萝浇点水" 双臂使用专用附件按需浇水
结合环境感知
充电线整理 "地上的充电线整理一下" 双臂将散落充电线盘绕整理并放置适当位置
环境整洁维护

重点说明

  • 全场景围绕低矮环境+地面为主,符合扫地机器人工作区域
  • 结合语音+视觉+机械臂协同,强调主动交互+任务执行闭环
  • 清洁和收纳双线并行,形成"清洁+整理+自维护+辅助生活"一体化方案
  • 考虑适老化+宠物友好,符合家庭真实需求升级趋势
  • 硬件+软件(感知/控制/策略/大模型)都涉及,兼顾产品定位+技术价值

MVP优先级

级别 功能清单 备注
核心MVP 地毯缝隙清扫 / 小地垫折叠清扫 / 局部液体清理 / 毛发缠绕清理 / 垃圾桶拖到身边 / 拆快递+纸箱折叠 满足高频痛点,用户感知最强
进阶MVP 机械臂撑地越障 / 玩具归位 / 鞋子归位 / 宠物垫整理 功能拓展,强化收纳整理
特色加分 地毯铺设 / 垃圾袋更换 / 拖布自清洁+晾晒 / 植物浇水 场景亮点,增强话题传播度

技术手稿

Krabot的设计灵感源自自然界中的螃蟹,我们的设计团队通过大量的生物学研究和工程实践,将螃蟹的生物结构特点转化为机器人技术。

这份手稿展示了我们如何解决传统扫地机器人的局限性,特别是通过创新的"翻转"思路,将机械臂设计在机器人的顶部而非底部,实现了"背部机械臂"的突破性设计。

手稿中详细记录了从概念构思到结构设计的整个过程,包括机械臂的关节设计、运动范围分析以及与本体的连接方式,这些创新性的设计为Krabot提供了独特的清洁能力。

概念草图

初始设计概念和灵感来源,包括对螃蟹生物结构的研究和适应性分析。

工程图纸

详细的工程设计图纸,包括尺寸规格、材料选择和组件布局。

机械结构

机械臂关节设计、驱动系统和模块化连接接口的技术细节。

Krabot技术手稿

机器人基站状态

Krabot在基站状态

Krabot在基站充电状态

Krabot离开基站状态

Krabot离开基站工作状态

机器人整体设计

Krabot顶视图

Krabot顶视图 - 展示机械臂与本体的比例关系

Krabot 3D视图

Krabot 3D立体视图 - 展示整体结构设计

机械臂自由度与活动空间

机械臂自由度顶视图

机械臂自由度 - 顶视图

机械臂自由度侧视图

机械臂自由度 - 侧视图

机械臂自由度前视图

机械臂自由度 - 前视图

机械臂自由度3D视图

机械臂自由度 - 3D立体视图

机械臂活动空间特点

  • 多自由度设计:6轴设计提供了全方位的操作能力,可以覆盖机器人周围360°范围
  • 伸展能力:机械臂最大伸展长度达45cm,可以轻松够到地面和低矮家具下方
  • 精确定位:每个关节均配备高精度编码器,定位精度可达±1mm
  • 负载能力:末端执行器可承载100g负载,足以完成大多数家庭清洁和整理任务
  • 折叠收纳:不使用时可紧凑折叠,减小占用空间,便于穿过狭窄区域

结构设计原理

Krabot蟹式机械臂设计图

Krabot的核心结构设计基于"背部机械臂"的创新理念,这一设计使机器人能够在保持清洁功能的同时,拥有强大的环境交互能力。

机器人本体采用低矮的圆形设计,确保能够进入家具底部等狭小空间。而背部的模块化接口则允许机械臂模块根据需要进行安装和拆卸。

机械臂采用多关节设计,模仿螃蟹爪的灵活性和精确度,能够执行复杂的抓取和移动操作。

结构参数 规格 优势
本体高度 8.5 cm 适合低矮空间清洁
本体直径 32 cm 覆盖面积大,稳定性好
机械臂长度 45 cm (伸展状态) 操作范围广
机械臂关节 6轴设计 高度灵活性和精确度
材料 航空级铝合金 + 高强度工程塑料 轻量化与耐用性平衡

拆装方案

Krabot的模块化设计使其拆装过程变得简单直观,用户无需专业工具即可完成机械臂的安装和拆卸。

机械臂模块通过磁吸式快速接口与本体连接,确保电气连接可靠的同时,也保证了机械结构的稳固性。

拆装设计考虑了日常使用场景,用户可以根据清洁需求灵活选择是否使用机械臂功能。

磁吸式接口

采用强力磁吸设计,确保连接牢固的同时,也便于快速拆装。

即插即用

智能识别模块,安装后自动校准和初始化,无需复杂设置。

免工具设计

所有拆装操作均可徒手完成,无需使用任何专业工具。

Krabot拆装方案

感知控制方案

Krabot感知控制

Krabot配备了先进的多传感器系统,包括激光雷达、深度摄像头和触觉传感器,使其能够精确感知环境并做出智能决策。

机器人采用分层控制架构,底层负责基础运动控制和传感器数据处理,中层负责路径规划和障碍物避让,顶层负责任务规划和决策。

机械臂控制系统采用视觉伺服技术,结合力反馈控制,确保抓取和操作的精确性和安全性。

传感器类型 功能 技术规格
激光雷达 环境建图与定位 360°扫描,15m范围
深度摄像头 物体识别与抓取 双目结构光,120°视场角
触觉传感器 精确抓取力控制 0.1N精度,防滑设计
惯性测量单元 姿态估计 9轴IMU,高精度陀螺仪
超声波传感器 近距离障碍物检测 6个传感器阵列,3cm-3m范围

人机交互方案

Krabot提供多种直观的人机交互方式,包括移动应用控制、语音指令、手势识别和力控手柄遥操作,使用户能够轻松地与机器人进行沟通和控制。

移动应用提供了丰富的功能,包括清洁计划制定、实时监控、清洁地图查看和自定义清洁区域设置等。

机器人还支持与智能家居系统的集成,可以通过主流的智能助手(如小爱同学、天猫精灵等)进行控制,同时VR遥操作功能让用户能够以第一视角精确控制机械臂。

遥操作参数 规格 用户体验
视频传输延迟 20ms 无感知延迟,实时操控
视频分辨率 1080P 清晰视野,细节可见
力反馈精度 256级力度感知 精确触觉反馈
操作自由度 6DoF 全方位自然操控

移动应用控制

直观的用户界面,支持iOS和Android平台,提供全面的远程控制和监控功能。

语音交互

支持自然语言处理,理解复杂指令,如"清洁客厅但避开沙发区域"。

手势识别

通过摄像头识别简单手势指令,实现无接触控制,特别适合厨房等环境。

力控遥操作

通过物理设备实现机械臂的精确控制,用户可以以第一视角操作机器人,处理复杂清洁任务。力控关节的控制系统采用低延迟传输技术,响应时间低至20ms,配合力反馈手柄,提供真实的触觉体验。

Krabot VR人机交互

遥操作界面示意图 - 用户可通过力控手柄精确控制Krabot的机械臂

整机方案

5轴机械臂方案(针对金力JL-25A310系列电机)

项目目标

  • 5轴机械臂
  • 臂展40cm
  • 末端负载100g
  • 整体预算100人民币左右
  • 电机尺寸:长度≤4cm,直径≤2.5cm

电机选型

关节位置 推荐电机 减速比 负载扭矩(kg.cm) 空载转速(r/min) 长度(电机+减速箱)
末端小关节(抓手) JL-25A310-165 165 2.73 39 43mm
中间关节(腕部) JL-25A310-217 217 3.80 30 43mm
肩部大关节 JL-25A310-362 362 6.60 16 45mm
底座旋转 JL-25A310-478 478 7.92 14 45mm

结构设计

臂体材料
  • 主材:PLA/ABS 3D打印件(轻量化+低成本)
  • 加强件:局部金属加固(关键承力点,如轴心)
关节形式
  • 旋转关节:每个轴均为旋转关节
  • 联动设计:不采用刚性联动,直接通过独立电机驱动
底座设计
  • 底座材料:钢板/木板
  • 电机安装:嵌入式安装
  • 走线预留:预留线缆通道

控制方案

主控板

地平线x5(成本低+开源生态丰富)

驱动电路
  • L298N双通道电机驱动模块(可同时驱动2个电机)
  • 共2块L298N(4个关节),末端小关节用PWM直驱
供电方案

6V直流电源适配器

控制逻辑
  • PWM调速+简单的行程校验
  • 支持串口调试和上位机控制

BOM清单

名称 数量 单价(RMB) 总价(RMB) 备注
JL-25A310系列电机 5 15 75 165/217/362/478混用
Arduino Nano 1 18 18 淘宝国产板
L298N驱动模块 2 5 10
电源适配器 6V 1 10 10
3D打印材料 - 10 10 约300g耗材
螺丝+轴承+连线 - 5 5
合计 - - 128元 可以通过量产优化

硬件系统架构

Krabot硬件系统架构图

Krabot的硬件系统架构设计遵循模块化原则,集成了先进的传感器系统、高效的计算单元和精密的执行机构,实现了智能家居机器人所需的全部功能。

核心硬件组件

  • 计算平台:采用高性能ARM处理器和专用AI加速芯片,支持复杂算法的实时处理
  • 传感器系统:包括激光雷达、深度相机、触觉传感器等,提供全方位的环境感知能力
  • 执行机构:精密伺服电机驱动的多关节机械臂和高效驱动轮系统
  • 电源管理:智能电池管理系统,支持快速充电和长时间工作
  • 通信模块:集成Wi-Fi、蓝牙和5G模块,实现与云平台和智能家居设备的无缝连接

工作流程图

flowchart TD classDef decision fill:#fff5e6,stroke:#ff9d00,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 classDef logic fill:#e6f7ff,stroke:#1890ff,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 classDef action fill:#f6ffed,stroke:#52c41a,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 classDef connect fill:#fff2e8,stroke:#fa541c,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 classDef position fill:#f9f0ff,stroke:#722ed1,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 classDef init fill:#f0f5ff,stroke:#2f54eb,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 classDef transport fill:#fffbe6,stroke:#faad14,stroke-width:2px,rx:10,ry:10 decision{机器人判断是否需要机械臂} logicA[逻辑A] logicB[逻辑B] clean[机器人清理地面] find[机器人发现并抓取目标物] return[机器人回站] connect1[机器人与机械臂硬连接] position1[机器人与机械臂到位检测] init1[机器人与机械臂初始化] disconnect1[机器人+机械臂与基站断连] track[机器人+机械臂寻迹] confirm[确定待抓取目标物] plan[运动轨迹规划] transport[机器人+机械臂转运目标物至目标点] complete[机械臂完成整周期任务] connect2[机械臂与基站硬连接] disconnect2[机器人与机械臂断连] position2[机械臂与基站到位检测] connect3[机械臂与基站硬连接] disconnect3[机器人与机械臂断连] position3[机器人+机械臂与基站到位检测] init2[机械臂初始化] return2[主机+机械臂回站] grab[机械夹爪抓取目标物] moveTo[机器人+机械臂运动至目标物] release[机械夹爪释放目标物] decision -- No --> logicA decision -- Yes --> logicB logicA --> clean clean --> find find --> logicB logicB --> return return --> connect1 connect1 --> position1 position1 --> init1 init1 --> disconnect1 disconnect1 --> track track --> confirm confirm --> plan plan --> transport decision --> complete complete --> connect2 connect2 --> disconnect2 disconnect2 --> position2 position2 --> connect3 connect3 --> disconnect3 disconnect3 --> position3 position3 --> init2 init2 --> return2 return2 --> grab grab --> moveTo moveTo --> release release --> transport class decision decision class logicA,logicB logic class clean,find,track,confirm,grab,moveTo,release action class connect1,connect2,connect3,disconnect1,disconnect2,disconnect3 connect class position1,position2,position3 position class init1,init2,plan init class return,return2,transport,complete transport
决策节点 机器人根据任务需求判断是否需要机械臂协助
逻辑节点 控制系统的核心逻辑判断分支
动作节点 机器人执行的具体清洁和抓取动作
连接节点 机器人与机械臂或基站的连接/断开操作
位置节点 位置检测和校准相关操作
初始化节点 系统初始化和规划相关操作
运输节点 机器人移动和物品转运相关操作
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