金安成，路敦民，李 彬，梁志強，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，機器人除在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等方面得到越來越多廣泛應(yīng)用外，已開始滲透到人們生活的各個方面，因此導(dǎo)致機器人技術(shù)與相關(guān)方面人才的需要迅速增加，而教學(xué)機器人作為這種先進技術(shù)的實物載體，在教學(xué)中的位置也越來越重要［1］。教學(xué)機器人是一種適合大中專學(xué)生的具有開放式特征的實訓(xùn)實驗平臺，是多種高科技的融合。

模塊化機器人恰恰符合教學(xué)機器人的要求。模塊化機器人系統(tǒng)是由一套具有不同尺寸和性能特征的模塊組成的，通過這些模塊能快速裝配出最適用于完成給定任務(wù)的機器人［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)模塊化機器人，可以達到簡單地拼接成不同類型并通過控制可完成不同任務(wù)的機器人。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)機器人這種新興產(chǎn)品所面向消費者必是中高消費人群，故其價格較高，不適合于成百套地購買用于教學(xué)［5］。

(2)現(xiàn)階段各公司的產(chǎn)品多是以娛樂玩具、生活幫手等固定式、局限性的特征立于市場抓住消費者眼球，比如一套套件只能做一個會跳舞的機器人，沒有深度開發(fā)的潛質(zhì)，對教學(xué)來說沒有意義。

(3)套件的材質(zhì)，由于研發(fā)的出發(fā)點就是以玩具類為主題，所以現(xiàn)階段機器人的模塊材質(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，因為塑料的強度及剛度都遠小于金屬，這就造成了舵機連接件變形大，抗扭矩小等缺點，無法搭建多關(guān)節(jié)機械臂。

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

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

1 模塊化套件設(shè)計

1.1 模塊設(shè)計準則

機器人套件是典型的機電一體化產(chǎn)品［6］，在進行模塊化設(shè)計時，要考慮到實現(xiàn)各模塊的標準化、通用化、規(guī)格化，使其具有互換性、相關(guān)性［7］，同時也要考慮到機器人整個系統(tǒng)的強度、剛度等問題［8］。因此，模塊設(shè)計應(yīng)遵循以下準則:

(1)具有相對獨立的特定功能。根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，恰當?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)計出系列化產(chǎn)品。

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

(4)具有良好的經(jīng)濟性。模塊組合時，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)濟性。

1.2 模塊設(shè)計內(nèi)容

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

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

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

1.3 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 標準模塊設(shè)計

(1)舵機架

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

當連接大舵機時，如圖1所示，不用安裝兩個小連接片，直接把大舵機連接其上;當要連接小舵機時，如圖2所示，通過兩個連接片，使小舵機也可以連接其上，達到了大小通用的效果。

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

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

(2)“U”型件

U型件 (如圖3所示)是舵機傳遞運動的構(gòu)件［12］，在舵機架上安裝一法蘭軸承，使舵機傳輸動作的“U”型件一邊連于舵盤，一邊連于軸承，使其連接更穩(wěn)定，當懸臂較長時，不會出現(xiàn)手臂不穩(wěn)的現(xiàn)象，很好地解決了現(xiàn)有設(shè)備U型件的連接問題。U型件與舵機架的設(shè)計尺寸緊密相連，因為舵機有大小兩種舵機，故U型件的設(shè)計也要適合兩種舵機。

圖3 U型件Fig.3 U-shaped componert

當安裝上兩種舵機后，所需U型架的尺寸相差很小，可設(shè)計固定尺寸的U型架，正適合大舵機連接，當連接小舵機時，采取在舵機架底部法蘭軸承下墊螺母的方法來解決問題。如圖4和圖5所示。

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

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

(3)機械臂旋轉(zhuǎn)模塊

如圖6所示，通過一個大小合適的推力軸承解決了機械手在底盤旋轉(zhuǎn)的問題，不再像現(xiàn)有套件機械臂受力都加載于舵盤及舵機軸上，使其受力承載于軸承上，使整個機械臂的基體更穩(wěn)定。

(4)機械手爪模塊

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

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

圖7 機械抓Fig.7 Mechanical grip

(5)舵機選擇

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

1.3.2 可重構(gòu)機器人裝配效果圖

可重構(gòu)機器人裝配效果如圖8和圖9的示。

圖8 機械手臂Fig.8 Mechanical arm

圖9 爬蟲式機器人Fig.9 Crawler type robot

2 結(jié)論

本文提出了可重構(gòu)模塊化教學(xué)機器人的零件設(shè)計、材料選取及可重構(gòu)實現(xiàn)方法，不僅解決了當前市場上教學(xué)機器人價格高昂、易損壞、可重構(gòu)性差等問題，而且開發(fā)了一套易于學(xué)生搭建、功能強大、通用性強、制造簡單、成本低廉、便于拆卸的機器人模塊，利于學(xué)生對機器人各個基本機構(gòu)原理的理解，為廣大大中專學(xué)生提供了具有開放式特征的實訓(xùn)實驗平臺，激發(fā)了學(xué)生對機器人知識的濃厚興趣和熱情。

［1］濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］成大先.機械工程手冊:機械設(shè)計(二)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1982.

［3］郭衛(wèi)東.機械原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［4］辛 穎，薛 偉，楊鐵濱，等.楚魚創(chuàng)意組合模型在機器人林木實驗教學(xué)中的實踐與應(yīng)用［J］.森林工程，2012，28(1):81 －84.

［5］蔡自興.機器人學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

［6］張立勛，王 亮.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［7］加藤一郎.機械手圖冊.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.

［8］鄺治全.可重構(gòu)模塊化教學(xué)機器人之機身設(shè)計［D］.廣州:廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2007.

［9］陶 曄.組合模塊化機器人機械手爪的設(shè)計研究［D］.南京:東南大學(xué)，2004.

［10］日本機器人學(xué)會，宗光華譯.機器人技術(shù)手冊［M］.北京:科學(xué)出版社，1996.

［11］劉思寧，陳 永，章文俊.模塊機器人及計算機輔助設(shè)計［J］.機器人，1999，21(1):16 －22.

［12］陳 麗，王越超，李 斌，等.蛇形機器人研究現(xiàn)況與進展［J］.機器人，2002，24(6):559 －563.

［13］劉 繄.自重構(gòu)模塊化機器人重構(gòu)規(guī)劃方法的研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.