金安成，路敦民，李 彬，梁志強(qiáng)，莊偉斌

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

隨著網(wǎng)絡(luò)與集成技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人除在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等方面得到越來(lái)越多廣泛應(yīng)用外，已開(kāi)始滲透到人們生活的各個(gè)方面，因此導(dǎo)致機(jī)器人技術(shù)與相關(guān)方面人才的需要迅速增加，而教學(xué)機(jī)器人作為這種先進(jìn)技術(shù)的實(shí)物載體，在教學(xué)中的位置也越來(lái)越重要［1］。教學(xué)機(jī)器人是一種適合大中專(zhuān)學(xué)生的具有開(kāi)放式特征的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是多種高科技的融合。

模塊化機(jī)器人恰恰符合教學(xué)機(jī)器人的要求。模塊化機(jī)器人系統(tǒng)是由一套具有不同尺寸和性能特征的模塊組成的，通過(guò)這些模塊能快速裝配出最適用于完成給定任務(wù)的機(jī)器人［2－4］。

現(xiàn)已有博創(chuàng)科技、森漢科技、中山大谷、北京智能佳等多家公司在制作和生產(chǎn)模塊化機(jī)器人，可以達(dá)到簡(jiǎn)單地拼接成不同類(lèi)型并通過(guò)控制可完成不同任務(wù)的機(jī)器人。但這些以效益為主的公司所研制和生產(chǎn)的產(chǎn)品存在許多弊端，并不匹配于教學(xué)。

(1)機(jī)器人這種新興產(chǎn)品所面向消費(fèi)者必是中高消費(fèi)人群，故其價(jià)格較高，不適合于成百套地購(gòu)買(mǎi)用于教學(xué)［5］。

(2)現(xiàn)階段各公司的產(chǎn)品多是以?shī)蕵?lè)玩具、生活幫手等固定式、局限性的特征立于市場(chǎng)抓住消費(fèi)者眼球，比如一套套件只能做一個(gè)會(huì)跳舞的機(jī)器人，沒(méi)有深度開(kāi)發(fā)的潛質(zhì)，對(duì)教學(xué)來(lái)說(shuō)沒(méi)有意義。

(3)套件的材質(zhì)，由于研發(fā)的出發(fā)點(diǎn)就是以玩具類(lèi)為主題，所以現(xiàn)階段機(jī)器人的模塊材質(zhì)多以塑料為主，比如博創(chuàng)科技的第一代以及第二代產(chǎn)品的模塊都是用塑料生產(chǎn)而成，因?yàn)樗芰系膹?qiáng)度及剛度都遠(yuǎn)小于金屬，這就造成了舵機(jī)連接件變形大，抗扭矩小等缺點(diǎn)，無(wú)法搭建多關(guān)節(jié)機(jī)械臂。

(4)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)比多公司的產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，各公司的機(jī)器人模塊型式都大同小異，綜合特點(diǎn)就是型式太單一，造成自由度小，無(wú)法搭建可以完成更加復(fù)雜任務(wù)的各種機(jī)器人。

綜上所述，想要讓模塊機(jī)器人作為教學(xué)套件，一是選好舵機(jī)，二就是設(shè)計(jì)好舵機(jī)連接架。

1 模塊化套件設(shè)計(jì)

1.1 模塊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

機(jī)器人套件是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品［6］，在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到實(shí)現(xiàn)各模塊的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、規(guī)格化，使其具有互換性、相關(guān)性［7］，同時(shí)也要考慮到機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題［8］。因此，模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:

(1)具有相對(duì)獨(dú)立的特定功能。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，恰當(dāng)?shù)卮_定模塊的數(shù)量和大小，要是模塊間的相互作用最小，從而使模塊功能獨(dú)立性最大。

(2)具有互換性。相同模塊在結(jié)構(gòu)和功能上應(yīng)具有互換性;而性能和結(jié)構(gòu)各異而功能相同的模塊也應(yīng)能互換使用，以便設(shè)計(jì)出系列化產(chǎn)品。

(3)具有通用性。模塊不僅實(shí)現(xiàn)橫系列、總系列通用，而且實(shí)現(xiàn)跨系列通用，并且通用模塊間機(jī)械、電氣接口要盡量簡(jiǎn)單，以便套件的安裝、調(diào)試和維修。

(4)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。模塊組合時(shí)，應(yīng)使所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)具有明確的目的性、較大的靈活性和良好的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容

(1)選擇合適的舵機(jī)，用以配備教學(xué)模塊機(jī)器人套件，使其有更多的自由度，可以完成更多的教學(xué)項(xiàng)目。

(2)舵機(jī)連接件的設(shè)計(jì)［9］，使其可以和舵機(jī)緊固連接并保證剛度和強(qiáng)度的要求，可實(shí)現(xiàn)多種自由度，達(dá)到拼接更加靈活的關(guān)節(jié)的目的。

(3)除舵機(jī)連接件之外的一些中心連接件(如圓形舵盤(pán)、一字舵盤(pán))、輔助件的設(shè)計(jì)，使該套件可以搭建更多類(lèi)型的機(jī)器人，更大程度地開(kāi)拓使用者的思維［10］。

1.3 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

(1)舵機(jī)架

舵機(jī)架結(jié)構(gòu)相同，通過(guò)增加零件 (小舵機(jī)連接板)，可使現(xiàn)有舵機(jī)架可容納MG995及SMS8166M兩種大小不同的舵機(jī)，更體現(xiàn)模塊化這一特點(diǎn)——通用性［11］。

當(dāng)連接大舵機(jī)時(shí)，如圖1所示，不用安裝兩個(gè)小連接片，直接把大舵機(jī)連接其上;當(dāng)要連接小舵機(jī)時(shí)，如圖2所示，通過(guò)兩個(gè)連接片，使小舵機(jī)也可以連接其上，達(dá)到了大小通用的效果。

圖1 航機(jī)架連接大舵機(jī)Fig.1 Navigation frame connected with big steering gear

圖2 航機(jī)架連接小舵機(jī)Fig.2 Navigation frame connected with small stearing gear

(2)“U”型件

U型件 (如圖3所示)是舵機(jī)傳遞運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件［12］，在舵機(jī)架上安裝一法蘭軸承，使舵機(jī)傳輸動(dòng)作的“U”型件一邊連于舵盤(pán)，一邊連于軸承，使其連接更穩(wěn)定，當(dāng)懸臂較長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)手臂不穩(wěn)的現(xiàn)象，很好地解決了現(xiàn)有設(shè)備U型件的連接問(wèn)題。U型件與舵機(jī)架的設(shè)計(jì)尺寸緊密相連，因?yàn)槎鏅C(jī)有大小兩種舵機(jī)，故U型件的設(shè)計(jì)也要適合兩種舵機(jī)。

圖3 U型件Fig.3 U-shaped componert

當(dāng)安裝上兩種舵機(jī)后，所需U型架的尺寸相差很小，可設(shè)計(jì)固定尺寸的U型架，正適合大舵機(jī)連接，當(dāng)連接小舵機(jī)時(shí)，采取在舵機(jī)架底部法蘭軸承下墊螺母的方法來(lái)解決問(wèn)題。如圖4和圖5所示。

圖4 連接大舵機(jī)Fig.4 Connected with big steering gear

圖5 連接小舵機(jī)Fig.5 Connected with small steering gear

(3)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)模塊

如圖6所示，通過(guò)一個(gè)大小合適的推力軸承解決了機(jī)械手在底盤(pán)旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題，不再像現(xiàn)有套件機(jī)械臂受力都加載于舵盤(pán)及舵機(jī)軸上，使其受力承載于軸承上，使整個(gè)機(jī)械臂的基體更穩(wěn)定。

(4)機(jī)械手爪模塊

拋棄市面現(xiàn)有的整體機(jī)械爪，圖7中自行設(shè)計(jì)的機(jī)械爪抓取范圍大，使機(jī)械爪整體連接穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)抓取水杯等重物時(shí)使舵機(jī)受力較大的現(xiàn)象。

圖6 機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)Fig.6 Rotation of the mechanical arm

圖7 機(jī)械抓Fig.7 Mechanical grip

(5)舵機(jī)選擇

大舵機(jī)選擇為春天SM－S8166M型模擬舵機(jī)，該舵機(jī)輸出扭矩為33 kg－cm，且舵機(jī)底部為平底，無(wú)塑料軸，適合所設(shè)計(jì)的舵機(jī)架。在小舵機(jī)方面，選擇MG995通用型舵機(jī)，其尺寸為現(xiàn)在市場(chǎng)上最通用的，其各種配件也很齊全［13］。

1.3.2 可重構(gòu)機(jī)器人裝配效果圖

可重構(gòu)機(jī)器人裝配效果如圖8和圖9的示。

圖8 機(jī)械手臂Fig.8 Mechanical arm

圖9 爬蟲(chóng)式機(jī)器人Fig.9 Crawler type robot

2 結(jié)論

本文提出了可重構(gòu)模塊化教學(xué)機(jī)器人的零件設(shè)計(jì)、材料選取及可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法，不僅解決了當(dāng)前市場(chǎng)上教學(xué)機(jī)器人價(jià)格高昂、易損壞、可重構(gòu)性差等問(wèn)題，而且開(kāi)發(fā)了一套易于學(xué)生搭建、功能強(qiáng)大、通用性強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單、成本低廉、便于拆卸的機(jī)器人模塊，利于學(xué)生對(duì)機(jī)器人各個(gè)基本機(jī)構(gòu)原理的理解，為廣大大中專(zhuān)學(xué)生提供了具有開(kāi)放式特征的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)機(jī)器人知識(shí)的濃厚興趣和熱情。

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