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(jià)值導(dǎo)向，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才，是我國(guó)高等教育的一項(xiàng)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(jī)器人教育作為一門(mén)具有較強(qiáng)實(shí)踐性質(zhì)的課程，融合了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子信息、控制工程、人工智能等眾多學(xué)科的理論與實(shí)踐，創(chuàng)新教育效果明顯[2]。項(xiàng)目化教學(xué)模式突破了單一的課堂教學(xué)模式，具有真實(shí)性、實(shí)踐性、跨學(xué)科性、合作性、創(chuàng)新性、開(kāi)放性等特點(diǎn)[3]。目前很多高職院校都有了機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心，并且利用實(shí)訓(xùn)中心開(kāi)設(shè)了以機(jī)器人為中心的項(xiàng)目教學(xué)課程，學(xué)生可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，完成碼垛、軌跡、壓鑄等項(xiàng)目。但是，這些項(xiàng)目都是停留在機(jī)器人應(yīng)用的層面，只是解決了學(xué)生操作機(jī)器人的問(wèn)題。本文通過(guò)設(shè)計(jì)并制作了一套機(jī)器人系統(tǒng)，并在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人零件加工、裝配、機(jī)器人調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，讓學(xué)生真正了解機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成及運(yùn)動(dòng)控制原理；掌握機(jī)器人關(guān)鍵零部件如機(jī)械手指的設(shè)計(jì)、機(jī)械零件數(shù)控加工及裝配；通過(guò)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)、機(jī)械零件的公差配合設(shè)計(jì)以及軟件編程解決機(jī)器人系統(tǒng)中的機(jī)械臂抖動(dòng)問(wèn)題；通過(guò)在項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施過(guò)程中體驗(yàn)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)的用途以及在實(shí)際生產(chǎn)中如何使用機(jī)器人。

1 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)兩部分，在機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中，包括了給系統(tǒng)提供動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行動(dòng)作的機(jī)械機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)模塊為舵機(jī)，機(jī)械機(jī)構(gòu)模塊包括手指、手腕、小臂、大臂1、大臂2、基盤(pán)、底板。該機(jī)器人有6個(gè)舵機(jī)，分別控制大臂、小臂、手腕和手指等，可以單個(gè)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，也可以多個(gè)舵機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)軟件程序調(diào)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度和方向?qū)崿F(xiàn)用機(jī)械手指抓取、轉(zhuǎn)移和搬運(yùn)物體的功能。機(jī)器人在空間有6個(gè)自由度的活動(dòng)范圍，能最大限度模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)作。機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1.1 機(jī)械手指設(shè)計(jì)

機(jī)械手指采用平面四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)，點(diǎn)D在CE桿上。當(dāng)B C桿繞點(diǎn)B順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，四連桿的C、D、E點(diǎn)分別移動(dòng)至C1、D1、E1，其中E1相對(duì)點(diǎn)E位置水平向左方向移動(dòng)了。反之，如果B C桿做逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，點(diǎn)E將水平向右移動(dòng)。

圖3 平面四連桿機(jī)構(gòu)原理

利用以上原理，設(shè)計(jì)了機(jī)械手指如圖4所示，主動(dòng)輪M順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，左側(cè)手指將向外移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)從動(dòng)輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)手指同步向外移動(dòng)，手指組合呈松開(kāi)狀態(tài)。反之，主動(dòng)輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，手指組合呈夾緊狀態(tài)。

圖4 機(jī)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(qiáng)度。

1.1.2 防抖動(dòng)設(shè)計(jì)

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(duì)于螺桿、螺母連接既提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，也能保證零件裝配后的誤差范圍小，從而實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)的目的。具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鉚接軸設(shè)計(jì)

（1）軸的尾部采用燕尾設(shè)計(jì)，燕尾角度為120°，既保證鉚接機(jī)對(duì)接的精度，又可以保證軸的尾部材料向四周擴(kuò)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(guò)高溫與基板融合，保證鉚接的強(qiáng)度。

1.2 控制子系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)的硬件模塊采用了Arduino UNO主板和擴(kuò)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(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用作PWM輸出），6個(gè)模擬輸入，16 MHz晶振時(shí)鐘，USB接口，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過(guò)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(kuò)展板

Arduino UNO是一個(gè)開(kāi)源的硬件模塊，它可以和各種傳感器組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同的功能，如通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離；通過(guò)接觸傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)障礙物；通過(guò)灰度傳感器實(shí)現(xiàn)循跡等[4]?？梢岳脭U(kuò)展板來(lái)加載上述的傳感器進(jìn)行組合項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。Arduino UNO也提供了一個(gè)開(kāi)源的軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境。

1.3 機(jī)械手防抖動(dòng)軟件控制

機(jī)器人有6個(gè)舵機(jī)，分別控制對(duì)應(yīng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)方向和角度，在程序中，通過(guò)改變舵機(jī)的角度來(lái)控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于某一舵機(jī)，程序中相鄰兩步改變的角度值越大，舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度就越快，反之，舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度越慢。在實(shí)際過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)由于小臂長(zhǎng)度尺寸較大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易出現(xiàn)晃動(dòng)，通過(guò)減小軸3的角度變化值，由原來(lái)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\(yùn)動(dòng)時(shí)的100°，大大改善了晃動(dòng)的問(wèn)題。

2 機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目教學(xué)

本文的機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目，包括了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、控制理論、人工智能等方面的知識(shí)，涉及多學(xué)科知識(shí)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(shí)，也有控制實(shí)操環(huán)節(jié)，具體流程如圖7所示。

圖7 項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐流程

2.1 項(xiàng)目一——機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

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

在SolidWorks中設(shè)計(jì)齒輪的步驟如下，首先計(jì)算齒輪齒頂圓直徑，然后用單個(gè)的齒形陣列切割齒頂圓。該單個(gè)齒形設(shè)計(jì)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(gè)齒形

在機(jī)械手指的設(shè)計(jì)中，需要保證左右兩個(gè)手指同步加緊和放松，設(shè)計(jì)中可以利用齒輪的配合指令，使主動(dòng)輪和從動(dòng)輪同步運(yùn)動(dòng)模擬手指的動(dòng)作，如圖4所示。

2.2 項(xiàng)目二——機(jī)器人機(jī)械零件結(jié)構(gòu)2D設(shè)計(jì)

在進(jìn)行零件的2D圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)程中，掌握零件的裝配基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，以及尺寸鏈的計(jì)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(shí)每個(gè)零件的用量，機(jī)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(xiàng)目三——機(jī)器人結(jié)構(gòu)零件加工

項(xiàng)目中，學(xué)生對(duì)底座、大臂、手腕、手腕等結(jié)構(gòu)零件的進(jìn)行數(shù)控加工，利用數(shù)控車(chē)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(shí)踐能力和動(dòng)手能力，在實(shí)踐中使學(xué)生了解機(jī)械設(shè)計(jì)和零件加工之間的關(guān)系。以機(jī)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(xiě)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(xiàng)目四——機(jī)器人示教

（1）示教單軸運(yùn)動(dòng)

分別改變以下6個(gè)軸（myservo0～myservo5）的角度數(shù)值，機(jī)器人的每個(gè)軸將根據(jù)調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

（2）示教抓取、搬運(yùn)小球

在程序中，通過(guò)改變單軸或同時(shí)改變多個(gè)軸的角度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓取和搬運(yùn)小球的動(dòng)作。其中通過(guò)改變單軸的流程如圖11所示。

圖11 抓取小球單軸流程

通過(guò)機(jī)器人編程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種形狀的物體進(jìn)行抓取和搬運(yùn)，并且模擬工業(yè)機(jī)器人的碼垛等動(dòng)作，在實(shí)踐過(guò)程中，使學(xué)生了解機(jī)器人的工作原理及編程技巧，激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人課程的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

2.5 項(xiàng)目五——機(jī)器人系統(tǒng)功能擴(kuò)展

該機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的Arduino是一款便捷靈活、適用的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，平臺(tái)的硬件和軟件都是開(kāi)放。平臺(tái)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(kuò)展各種傳感模塊，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)試、顏色識(shí)別和溫度感應(yīng)。

3 機(jī)器人系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用

本文的機(jī)器人系統(tǒng)教學(xué)項(xiàng)目，已在學(xué)校的機(jī)電工程系得到應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生完成機(jī)械零件設(shè)計(jì)和仿真項(xiàng)目，數(shù)控專(zhuān)業(yè)學(xué)生完成機(jī)械零件加工項(xiàng)目，機(jī)器人專(zhuān)業(yè)學(xué)生完成機(jī)器人調(diào)試和示教等項(xiàng)目，該系統(tǒng)在實(shí)際教學(xué)中取得良好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人系統(tǒng)，采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)器人手指，通過(guò)齒輪傳動(dòng)仿真了機(jī)器人手指的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了鉚接軸取代螺釘用于機(jī)械零件的連接固定，然后利用CNC加工機(jī)械零件，進(jìn)行組合裝配一套機(jī)器人系統(tǒng)，在Arduino的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件編程。通過(guò)設(shè)計(jì)和制作該機(jī)器人系統(tǒng)，在每個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)，掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)、控制理論、數(shù)控加工及機(jī)器人專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)制作機(jī)器人結(jié)構(gòu)零件，增強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐能力，通過(guò)示教機(jī)器人系統(tǒng)，提升了解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。