林敏，黃學(xué)強(qiáng)，王勇，賴思琦（西南科技大學(xué)，四川綿陽621010）

模塊化教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

林敏，黃學(xué)強(qiáng)，王勇，賴思琦
（西南科技大學(xué)，四川綿陽621010）

模塊化是機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。建立了一個(gè)用于實(shí)踐教學(xué)的模塊機(jī)器人平臺(tái)，介紹了通用模塊庫中各個(gè)模塊的功能，以及在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)專用模塊，并使用3D打印技術(shù)完成專用模塊制作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該平臺(tái)在機(jī)器人設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)中取得了良好效果。

模塊化；機(jī)器人平臺(tái)；3D打印

模塊化作為機(jī)器人發(fā)展的重要方向，已經(jīng)應(yīng)用到機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研發(fā)中。模塊化機(jī)器人的特點(diǎn)是各機(jī)器人構(gòu)件具備通用性、重構(gòu)性，構(gòu)件之間具有統(tǒng)一的接口，可以根據(jù)用途進(jìn)行組合，得到所需的機(jī)器人[1]?，F(xiàn)在，國內(nèi)外研發(fā)生產(chǎn)模塊機(jī)器人的公司有很多，但這些公司的產(chǎn)品大多價(jià)格昂貴，且并不完全符合機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的要求。因此，根據(jù)課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了一套模塊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的教學(xué)效果。

1　模塊機(jī)器人平臺(tái)

組成模塊機(jī)器人平臺(tái)的機(jī)械模塊可分為通用模塊和專用模塊。通用模塊是一組具有不同形狀尺寸和功能特征的構(gòu)件，在使用時(shí)，可以根據(jù)所要完成的具體任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的構(gòu)件進(jìn)行搭配，由于構(gòu)件之間的接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，因此，能夠像搭積木一樣，組合成所需要的機(jī)器人主體。通用模塊按照功能可分為連接件和傳動(dòng)件，連接件為固定不動(dòng)的構(gòu)件，如底座、支架等；傳動(dòng)件為傳遞活動(dòng)的構(gòu)件，如車輪、齒輪等，如圖1所示[2-3]。并且，這些通用模塊全部都制作了三維模型，可以先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)，從而降低了制作機(jī)器人的難度和成本，給使用者帶來了便利。

圖1　機(jī)器人通用模塊

專用模塊則是在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，要完成特定任務(wù)的關(guān)鍵功能件。由于要求機(jī)器人完成的任務(wù)千差萬別，很多情況下，機(jī)器人執(zhí)行端的關(guān)鍵功能件不可能使用標(biāo)準(zhǔn)、通用的模塊構(gòu)件。因此，這就需要根據(jù)任務(wù)定制相應(yīng)的專用模塊。

除了機(jī)械模塊，機(jī)器人平臺(tái)還包括控制器、傳感器、執(zhí)行器等部件?？刂破饔蒀PU、電源、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入、舵機(jī)接口、通訊、發(fā)聲等部分組成，是一個(gè)通用小型機(jī)器人控制器。CPU采用ATmega128，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，并且用圖形化集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言編輯程序，開發(fā)較為簡單，對本科學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人實(shí)踐訓(xùn)練十分有利；傳感器有紅外線接近、紅外線測距、聲音、溫度、碰撞等傳感器，種類豐富，能夠組成各種類型的機(jī)器人；執(zhí)行器是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件，有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和微型舵機(jī)[4-5]。

2　模塊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

模塊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)分為設(shè)計(jì)和制作組裝，兩個(gè)步驟。設(shè)計(jì)時(shí)，先使用UG軟件進(jìn)行機(jī)器人三維模型的搭建，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)專用模塊，并進(jìn)行機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)仿真，檢查是否符合設(shè)計(jì)者的意圖，能夠完成預(yù)定任務(wù)；確定無誤后，使用3D打印技術(shù)制作專用模塊，將各個(gè)模塊組裝成機(jī)器人，并編寫程序，輸入控制器，并作相應(yīng)的調(diào)試。由此，可使用模塊機(jī)器人平臺(tái)組裝出各種典型機(jī)器人產(chǎn)品。

（1）四自由度串聯(lián)機(jī)器人

四自由度串聯(lián)機(jī)器人如圖2所示，這是一種常見的工業(yè)機(jī)器人，在底座基礎(chǔ)上安裝連桿構(gòu)件、舵機(jī)組合而成，各個(gè)構(gòu)件之間使用銷軸和螺母連接。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)任務(wù)，可選擇相應(yīng)類型手抓，或用3D打印定制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2　四自由度串聯(lián)機(jī)器人

（2）自主避障機(jī)器人

自主避障機(jī)器人如圖3所示，整個(gè)機(jī)器人可全方位轉(zhuǎn)向，機(jī)器人主體為一輛四輪小車，四個(gè)車輪為全驅(qū)動(dòng)，每個(gè)車輪連接舵機(jī)作為轉(zhuǎn)向器。底板上安裝兩個(gè)紅外線傳感器，用于檢測障礙物。當(dāng)傳感器檢測到前方有障礙物時(shí)，其輸出電平會(huì)發(fā)生變化，控制器按照程序設(shè)定采取相應(yīng)的避障策略，從而使機(jī)器人作出相應(yīng)動(dòng)作，避開障礙物。

圖3　自主避障機(jī)器人

3　結(jié)束語

采取模塊化方式設(shè)計(jì)和制作機(jī)器人是機(jī)器人研發(fā)的主要發(fā)展方向，模塊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)在學(xué)校機(jī)器人課程的應(yīng)用，提高了教學(xué)水平和質(zhì)量，值得推廣。

［1］周雪峰，江勵(lì)，朱海飛，等.一個(gè)模塊化機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：50-55，61.

［2］劉凱，杜玉紅.“能力風(fēng)暴”機(jī)器人創(chuàng)新模塊在模擬加工中心的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010（3）：97-98.

［3］張鐵.工業(yè)機(jī)器人及智能制造發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014（4）：1-3.

［4］束建芳.基于SolidWorks的五自由度打磨機(jī)器人虛擬裝配設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2012（1）：22-23.

［5］李修元，杜玉紅.2V2足球機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014（7）：82-84.

(編輯：阮毅)

The Modular Design of Teaching Robot Platform

LIN Min，HUANG Xue-qiang，WANG Yong，LAI Si-qi
（SouthwestUniversity of Science and Technology，Mianyang621010，China）

Modularity is themain development direction of the robot design.The establishment of amodule robot platform for practice teaching，introduced each module function of universalmodule library，as well as in the experiment design basing on task specific modules，and 3D printing technologywasused to complete the specificmodule production.Experimental resultsshow that the platform has achieved good results in practice teaching robotdesign.

modularity；robotplatform；3D printing

TP242

A

1009－9492(2015)06－0062－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.015

2015－03－09

林敏，男，1993年生，四川眉山人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制。