機器人教學探究之機械入門——計算機輔助機械設計

上海大學附屬中學 汪玥輝

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機器人教學探究之機械入門——計算機輔助機械設計

上海大學附屬中學 汪玥輝

單馬達機器人是高中各項科技活動中常見的一種機械結構，本專題內容從機械原理出發針對其進行研究與改進，旨在引導學生在探究活動中掌握機器人機械設計的基本方法。

機構設計 單馬達 四桿機構 運動仿真 計算機輔助設計

1 課題背景

伴隨著全新的信息科學與技術發展和全球性的教育改革，國際青少年電腦機器人活動于20世紀90年代在一些發達國家青少年中逐步興起。近幾年來，機器人教育已經在全國發達城市中小學中廣泛開展起來，并大有普及之勢。

2006年，我校申報寶山區區級課題《機器人步行模式的研究與設計》，期間在上海大學的指導和我校科技教師的共同努力下于2009年順利結題，課題從高中教學層面探討了機器人機構設計如何應用于高中學段學生。

2 理論基礎

我們考慮從機器人的一個板塊出發，利用學生對機器人機械結構的認識和研究開始逐步破解學生對機器人的神秘感，鍛煉學生的科研能力，引導學生從設計出發，自己動手設計并制作機器人。從而讓學生能夠從中體驗較為完整的科研過程，使他們學到科學有效的思維方式，提高邏輯思維能力、規劃能力，提高分析問題和解決問題的能力。同時，在課程及活動中穿插結合專家講座以及實踐探索等一系列方式來了解智能機器人的發展和應用狀況，并在組裝機器人的過程中培養學生的動手能力、協作能力和創造能力。最終的目的是能為同學們開設一門能充分發揮創造力的創新課程，或者說向這個目標做一些有益嘗試。

我們知道了一般機器人的設計可以分為三個部分：機械部分、電路部分和程序部分，而其中最為基礎的便是機械部分。高中最常見的機器人活動競賽就是單馬達的簡易機器人搭建了，通過不同的結構可實現跑步、爬桿、爬梯（圖1）等不同的動作。類似的比賽中經常有一條規則是一定要使用曲柄連桿機構，不得使用輪式，這就涉及到了一個基本的機構學概念——機械傳動，具體的搭建方式雖然可以參照機器人的說明書，但如果能真正掌握其原理必然讓學生對機器人有更深一層次的認識。

圖1 各類單馬達機器人

有了這些理論基礎和想法，我們咨詢了上海大學機械工程系的專家，從可行性角度對本課題進行了論證，在肯定我們想法的同時專家還從技術角度解答了我們的一些疑問，提供了我們一些新的思路和手段。我們打算第一步就從機械板塊進行教學的深入探究，讓學生重新認識機械設計這一可能會被忽略的機器人最基礎的部分。

3 課程設計

遵循這樣一個切入點我們針對機械結構部分為學生設計了以下的一系列學習課程，大致分為了這樣幾個階段：

3.1 觀察分析階段

一開始通過對機器人的搭建及觀察，學生接觸簡易單馬達機器人，從實際出發認識一個機器人完成整個運動過程的基本方式，培養學生的動手能力和合作精神，并使其掌握讀圖紙、零件裝配等一些基本工程技術素養。

3.2 理論學習階段

本環節通過對四桿機構這樣一種常用的傳動方式的介紹，帶領同學從單純照搬圖紙過度到進行簡易機構分析的層面。機器人制作課程實際是一種跨學科的學習課程，須靈活運用各種學科的知識。現在的高中課程中，學生們學了很多數學、物理、計算機方面知識和解題方法，但遇到實際問題往往就不會運用了。如本環節用到了很多他們學過的數學知識，既讓他們覺得設計并不是那么遙不可及從而失去信心和興趣，又讓他們在真實的情景中體驗學以致用的快樂，更好的提升他們學習科學文化知識的熱情。

3.3 技術實踐階段

有了一定的理論基礎以后我們可以利用一系列的技術手段讓學生的所學得到鞏固提高，來一次理論聯系實際。受到了《神奇的仿真技術》課程的啟發，我們考慮借助計算機仿真這一手段。一方面機械結構的實物的設計制作存在一定成本，另外計算機輔助設計作為一門新興學科也已經登陸到了高中課堂（一些學校已經開設了AUTOCAD、CAXA等課程）。經過我們的幾次嘗試這一環節可以通過多種方式去實現，比如可結合數學計算利用VB的繪圖功能進行二維機構仿真（圖2），再比如有一些現成的軟件（如working model 2D）可以實現類似真實模擬環境下的機構仿真。最新的探究中我利用了上海市青少年活動中心組織的培訓，掌握了工程設計領域的權威軟件ProE，其中即可實現三維模型的建模，又可模擬真實的三維運動（圖3），很好地為學生的自主探究提供的一種手段。

圖2 數學計算后實現的VB機構學運動圖

圖3 三維機構仿真搭建

3.4 創新實踐階段

在經過了上述各階段的學習以后，學生對于機械結構的認識可以說有了一個質的飛躍，這為其以后參與到各項機器人的活動中打下了扎實的基礎。至少在機器人的機械部分，我們總結出了即使在是看似再簡單的機械結構，也要經歷結構設計、運動模擬、計算機輔助設計、計算機輔助制造等環節。而且這個流程不是一蹴而就的，必將經過反復的修改和測試，下面我們來看一個成功的例子。

4 具體案例

以下為第24屆英特爾上海市創新大賽我校機器人創意設計一等獎作品的論文節選，該論文中的學生就是在經過了上述過程的學習后改進了一個步行機器人結構，雖然在參賽過程中專家對于其在實用性方面還存在一定爭議，但評委們一致認為在機械結構設計這一部分，其科學性和新穎性已經達到了一定高度。

論文改進了一個容易跌倒的雙足步行機器人結構，通過模擬人行走的膝關節和踝關節從結構上進行了一定創新，基本達到了課題制定的目標，下面是文章的部分節選，其分別對應了我們上述提到的機器人機構設計的幾個步驟。

4.1 有機構的分析

我們仔細觀察暑假中制作的那個會“摔跤”的步行機器人，發現從機器人的結構上看，有曲柄還有連桿，是一個四桿機構。緊接著我們用直尺量出了模型的各部件尺寸并在運動模擬軟件——WORKING MODEL中對其運動過程進行了模擬，從而進一步分析其運動。

而在WORKING MODEL的運動模擬中（如圖4），我們發現原機器人的機械裝置并沒有人那樣的關節。從圖中能觀察到，由于沒有膝關節和踝關節的屈伸活動，因此在行走過程中，當從機械足跟著地到機械全足放平這一階段，前后的重心沒能很好地調整，系統重心會突然前傾，影響行走的平穩性。機器人行走過程中前后重心不穩的問題就出在這里。

圖4 改進前的機器人機構簡圖在WORKING MODEL軟件中的樣子

4.2 結構創新設計

根據分析，要是能設計一個能活動的且最好與地面始終保持水平的足問題便迎刃而解了。我們詢問了老師也在網絡和相關機構學書籍中查找了資料，了解到了有一種叫做平行四桿機構的方式，如資料顯示，雙曲柄平行四桿機構有四類，從外觀判斷其中a類應該就是我們需要的方式。有了這個關鍵的機構原理作支撐，我們開始了對原有機構的改進。

從運動轉換角度分析，該裝置是單自由度的曲柄搖桿機構，構造和控制均相當簡單。從支撐的角度分析，該裝置疊加了兩個平行四桿機構，因而具備活動的膝關節和活動的踝關節，在行走過程中，裝置的機架部分始終與地面保持平行，能較平穩地移動系統的重心位置，避免突然前傾的現象出現。這些都符合了我們之前機構設計的需要（如圖5）。

圖5 在WORKING MODEL中改進后的機器人的運動模擬圖

4.3 計算機輔助設計（CAD）

接下來，我們在仿真軟件里測量了各個部件的尺寸，然后按照一定的比例縮放后得到實際的部件的尺寸。

在設計時發現了各鉸接點的連接是一個很大的問題，簡易機器人里都是利用插銷來實現的，其優點是成本低，但缺點很多如：容易磨損和脫落等。詢問了老師后，他建議我們使用軸承，并告知了我們軸承的一般裝配方式。

在設計時還要考慮大足的制作、馬達乃至以后傳感器等的安裝位置的預留、如何使整個機架的重心盡量降低以保證其穩定性等問題。在老師的幫助下終于在CAD中完成了各個零件的設計，并將它們組裝成了模型（如圖6）。我們聯系了加工的地方利用雕刻機將基本的部件制作了出來，一些較為關鍵的部件老師幫我進行了挑選，比如馬達和齒輪，挑選了內部應用蝸桿的齒輪箱增大了扭矩，而且降低了噪音，齒輪的外掛設計也有效地防止了齒輪卡死（如圖7）。

圖6 模型設計圖

圖7 驅動部分設計圖

4.4 計算機輔助制造（CAM）

在雕刻機的幫助下，一個個由我們設計的機構零件終于由電子文件變成了實物（如圖8）。經過最后的拼裝搭建，我們自己設計的第一臺機器人終于出世（如圖9）。

圖8 機器人零件圖

圖9 模型實物圖

5 思考與小結

上述活動過程我們考慮可設計成一個系列的短課程，包含機器人制作、機構學入門、計算機機械仿真、CAD模型設計等環節，涵蓋了當前用于機械部分設計的比較主流的設計思路和手段方法。結合了數學、物理、計算機等多門學科的綜合知識，可以讓學生在運用自己的所學中不斷有新的發現，認識到各學科之間其實是相通的，很多我們學習的理論是為技術服務的。而在最后的模型制造環節之前的操作是將可行性較高的設計送去外部加工，以后學校如有條件可考慮采購一臺小型雕刻機，一些簡單設計可以直接完成CAM，學生的認識會更加直觀也可作為活動的一個高潮和小結部分。

我們的初衷是想通過對機器人機械部分的研究與設計，學生能不再局限于使用各公司的機器人套材，而更多地考慮自己設計或改進。從機器人學習研究的角度，學生從簡單拼裝搭建的裝配層面上升到了理論結合實際的研究層面，我們也看到了一些讓我們歡欣鼓舞的自主研創新成果。當然在課程的進一步深入的過程中，機構設計還有許多新的知識，每一個知識點都能用于不同功能機器人的設計，我想在以后的機器人課程或者活動中我們要做的還有很多。

[1] 上海市機器人學會編.機器人ABC.上海市科學教育推廣項目資料包

[2] 王中杰等.神奇的仿真技術. 上海市科學教育推廣項目資料包

[3] 楊可楨等.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社,2006.

[4] 陳國華.機械機構及應用[M]. 北京：機械工業出版社,2008.

[5] 尹居中.機械設計實作計劃—投球機構模擬分析.

[6] 導向科技編.AUTOCAD 2006基礎[M]. 北京：人民郵電出版社,2006.

汪玥輝，上海大學附屬中學科技總輔導員。