謝東江，劉奭奭，鐘榮林，秦 昊

（惠州工程職業(yè)學(xué)院，廣東惠州 516023）

0 引言

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力為價值導(dǎo)向，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才，是我國高等教育的一項重要使命，也是當(dāng)前高等學(xué)校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一[1]。機器人教育作為一門具有較強實踐性質(zhì)的課程，融合了機械、計算機、電子信息、控制工程、人工智能等眾多學(xué)科的理論與實踐，創(chuàng)新教育效果明顯[2]。項目化教學(xué)模式突破了單一的課堂教學(xué)模式，具有真實性、實踐性、跨學(xué)科性、合作性、創(chuàng)新性、開放性等特點[3]。目前很多高職院校都有了機器人實訓(xùn)中心，并且利用實訓(xùn)中心開設(shè)了以機器人為中心的項目教學(xué)課程，學(xué)生可以對機器人進行編程，完成碼垛、軌跡、壓鑄等項目。但是，這些項目都是停留在機器人應(yīng)用的層面，只是解決了學(xué)生操作機器人的問題。本文通過設(shè)計并制作了一套機器人系統(tǒng)，并在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機器人零件加工、裝配、機器人調(diào)試過程中進行項目教學(xué)，讓學(xué)生真正了解機器人的機械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成及運動控制原理；掌握機器人關(guān)鍵零部件如機械手指的設(shè)計、機械零件數(shù)控加工及裝配；通過齒輪傳動設(shè)計、機械零件的公差配合設(shè)計以及軟件編程解決機器人系統(tǒng)中的機械臂抖動問題；通過在項目教學(xué)實施過程中體驗機器人在實際生產(chǎn)的用途以及在實際生產(chǎn)中如何使用機器人。

1 機器人系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)兩部分，在機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中，包括了給系統(tǒng)提供動力源的驅(qū)動模塊和執(zhí)行動作的機械機構(gòu)模塊；在控制子系統(tǒng)中，包括了電子電路硬件模塊和可編程環(huán)境的軟件模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 機械機構(gòu)子系統(tǒng)

驅(qū)動模塊為舵機，機械機構(gòu)模塊包括手指、手腕、小臂、大臂1、大臂2、基盤、底板。該機器人有6個舵機，分別控制大臂、小臂、手腕和手指等，可以單個舵機運動，也可以多個舵機同時運動，通過軟件程序調(diào)節(jié)舵機運動的速度和方向?qū)崿F(xiàn)用機械手指抓取、轉(zhuǎn)移和搬運物體的功能。機器人在空間有6個自由度的活動范圍，能最大限度模擬實際生產(chǎn)過程中的動作。機器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機器人機械結(jié)構(gòu)

1.1.1 機械手指設(shè)計

機械手指采用平面四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計，原理如圖3所示。A B為固定結(jié)構(gòu)，A D、B C、CE三根連桿可自由活動，點D在CE桿上。當(dāng)B C桿繞點B順時針方向運動時，四連桿的C、D、E點分別移動至C1、D1、E1，其中E1相對點E位置水平向左方向移動了。反之，如果B C桿做逆時針方向運動，點E將水平向右移動。

圖3 平面四連桿機構(gòu)原理

利用以上原理，設(shè)計了機械手指如圖4所示，主動輪M順時針旋轉(zhuǎn)時，左側(cè)手指將向外移動，同時帶動從動輪逆時針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)手指同步向外移動，手指組合呈松開狀態(tài)。反之，主動輪逆時針旋轉(zhuǎn)時，手指組合呈夾緊狀態(tài)。

圖4 機械手指

連桿材料采用鋁合金6061，既可以減輕手指的重量，又可以保證手指的強度。

1.1.2 防抖動設(shè)計

旋轉(zhuǎn)軸采用鉚接的方式連接，軸采用旋鉚方式固定在零件上，相對于螺桿、螺母連接既提高了結(jié)構(gòu)的強度，也能保證零件裝配后的誤差范圍小，從而實現(xiàn)防抖動的目的。具體設(shè)計如圖5所示。

圖5 鉚接軸設(shè)計

（1）軸的尾部采用燕尾設(shè)計，燕尾角度為120°，既保證鉚接機對接的精度，又可以保證軸的尾部材料向四周擴散。

（2）軸尾部的高度大于基材的厚度，最好高出0.2 mm以上，預(yù)留軸尾部的材料通過高溫與基板融合，保證鉚接的強度。

1.2 控制子系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)的硬件模塊采用了Arduino UNO主板和擴展板，如圖6所示。Arduino UNO是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB接口，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊。

圖6 Arduino UNO主板和擴展板

Arduino UNO是一個開源的硬件模塊，它可以和各種傳感器組合設(shè)計實現(xiàn)不同的功能，如通過紅外傳感器實現(xiàn)測量距離；通過接觸傳感器實現(xiàn)檢測障礙物；通過灰度傳感器實現(xiàn)循跡等[4]?？梢岳脭U展板來加載上述的傳感器進行組合項目實驗。Arduino UNO也提供了一個開源的軟件開發(fā)環(huán)境，包括圖形化編程和IDE編程，本文采用了后者的開發(fā)環(huán)境。

1.3 機械手防抖動軟件控制

機器人有6個舵機，分別控制對應(yīng)機械臂的旋轉(zhuǎn)方向和角度，在程序中，通過改變舵機的角度來控制舵機的運動速度，對于某一舵機，程序中相鄰兩步改變的角度值越大，舵機的運動速度就越快，反之，舵機的運動速度越慢。在實際過程中，發(fā)現(xiàn)由于小臂長度尺寸較大，運動過程中容易出現(xiàn)晃動，通過減小軸3的角度變化值，由原來的10°變更為現(xiàn)在的5°，即在程序中myservo3由初始值的105°變?yōu)檫\動時的100°，大大改善了晃動的問題。

2 機器人系統(tǒng)的項目教學(xué)

本文的機器人系統(tǒng)項目，包括了機械設(shè)計、機械制造、控制理論、人工智能等方面的知識，涉及多學(xué)科知識的應(yīng)用，可以系統(tǒng)地、全面地讓學(xué)生去學(xué)習(xí)，有基礎(chǔ)理論知識，也有控制實操環(huán)節(jié)，具體流程如圖7所示。

圖7 項目教學(xué)實踐流程

2.1 項目一——機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動仿真設(shè)計

學(xué)生利用SolidWorks軟件進行零件設(shè)計，在進行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，了解并掌握機械設(shè)計的基礎(chǔ)，如進行齒輪設(shè)計時，需要了解并掌握齒輪的基本知識，如齒頂圓、齒根圓和分度圓的概念和計算公式。在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，讓學(xué)生熟練使用設(shè)計軟件，了解軟件的基本功能和使用技巧。

在SolidWorks中設(shè)計齒輪的步驟如下，首先計算齒輪齒頂圓直徑，然后用單個的齒形陣列切割齒頂圓。該單個齒形設(shè)計如圖8所示。圖中，P為節(jié)距，p=πm（m齒輪模數(shù)）；ha為齒頂高，ha=m；h為齒高，h=2.25 m。

圖8 單個齒形

在機械手指的設(shè)計中，需要保證左右兩個手指同步加緊和放松，設(shè)計中可以利用齒輪的配合指令，使主動輪和從動輪同步運動模擬手指的動作，如圖4所示。

2.2 項目二——機器人機械零件結(jié)構(gòu)2D設(shè)計

在進行零件的2D圖紙設(shè)計時，可以讓學(xué)生了解并掌握零件出圖的方法和步驟。如圖紙的布局，尺寸的標(biāo)注，公差選擇，以及根據(jù)零件規(guī)格輸出BOM清單。在標(biāo)注尺寸的過程中，掌握零件的裝配基準(zhǔn)和設(shè)計基準(zhǔn)，以及尺寸鏈的計算，在圖紙的標(biāo)題欄中，需要選用合適的材料、規(guī)格和標(biāo)識每個零件的用量，機器人底板的2D圖紙如圖9所示。

圖9 底板結(jié)構(gòu)2D圖

2.3 項目三——機器人結(jié)構(gòu)零件加工

項目中，學(xué)生對底座、大臂、手腕、手腕等結(jié)構(gòu)零件的進行數(shù)控加工，利用數(shù)控車床、數(shù)控銑床和鉆床等設(shè)備加工出零件的結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和動手能力，在實踐中使學(xué)生了解機械設(shè)計和零件加工之間的關(guān)系。以機器人底板為例，首先確定零件的加工流程如圖10所示，然后利用UG軟件編寫CNC程序。

圖10 底板加工流程

底板零件中心鉆定位孔程序如下：

2.4 項目四——機器人示教

（1）示教單軸運動

分別改變以下6個軸（myservo0～myservo5）的角度數(shù)值，機器人的每個軸將根據(jù)調(diào)整的參數(shù)進行運動。

（2）示教抓取、搬運小球

在程序中，通過改變單軸或同時改變多個軸的角度參數(shù)，實現(xiàn)機器人抓取和搬運小球的動作。其中通過改變單軸的流程如圖11所示。

圖11 抓取小球單軸流程

通過機器人編程，可以實現(xiàn)對各種形狀的物體進行抓取和搬運，并且模擬工業(yè)機器人的碼垛等動作，在實踐過程中，使學(xué)生了解機器人的工作原理及編程技巧，激發(fā)學(xué)生對機器人課程的興趣，提高學(xué)生的動手操作能力。

2.5 項目五——機器人系統(tǒng)功能擴展

該機器人控制系統(tǒng)采用的Arduino是一款便捷靈活、適用的開源電子原型平臺，平臺的硬件和軟件都是開放。平臺可以適配各種傳感器如溫度、轉(zhuǎn)速、紅外、超聲波等，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣擴展各種傳感模塊，實現(xiàn)距離測試、顏色識別和溫度感應(yīng)。

3 機器人系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用

本文的機器人系統(tǒng)教學(xué)項目，已在學(xué)校的機電工程系得到應(yīng)用，機械設(shè)計及自動化專業(yè)學(xué)生完成機械零件設(shè)計和仿真項目，數(shù)控專業(yè)學(xué)生完成機械零件加工項目，機器人專業(yè)學(xué)生完成機器人調(diào)試和示教等項目，該系統(tǒng)在實際教學(xué)中取得良好的效果。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了機器人系統(tǒng)，采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計了機器人手指，通過齒輪傳動仿真了機器人手指的運動，設(shè)計了鉚接軸取代螺釘用于機械零件的連接固定，然后利用CNC加工機械零件，進行組合裝配一套機器人系統(tǒng)，在Arduino的IDE開發(fā)環(huán)境中進行軟件編程。通過設(shè)計和制作該機器人系統(tǒng)，在每個環(huán)節(jié)中實施項目教學(xué)，學(xué)生通過設(shè)計機器人系統(tǒng)，掌握了機械設(shè)計、控制理論、數(shù)控加工及機器人專業(yè)基礎(chǔ)知識，通過制作機器人結(jié)構(gòu)零件，增強了動手實踐能力，通過示教機器人系統(tǒng)，提升了解決實際問題的綜合能力。