機器助人

郭靜遠 王晨煥 應正浩 黃易單 洪天樂 張笑語 劉鈺青

如今，社會正步入機器人時代，在浙江，“機器換人”的口號也越喊越響，連我們的家鄉，一個小小的縣城也有很多工廠、企業開始用機器人替換人工。

每逢節假日都會出現勞動力暫時短缺的現象，而機器人不用放假休息，效率很高，且不用付工資，只要用電“喂飽”它就可以了。于是，我們也想做一個能幫助人們搬運貨物的機器人。

一、準備工作

1.制作材料

密度板、電線、光軸（有滑塊）、步進電機、限位開關、指示燈、蜂鳴器、控制器、螺絲、螺母、自制電磁鐵等。

2.使用工具

銼刀、老虎鉗、榔頭、螺絲刀、立式鉆床、電烙鐵、鋸子等。

二、設計制作

機器人的框架以木材為主，由于三合板并不牢固，于是改用從廢舊桌椅上拆下來的密度板，利用釘子將它們合理組合，并留下足夠的發揮空間。

我們設計的機器人通過三個坐標系運作，所以三個坐標所在的木框必須相互垂直，一旦某個軸有偏差，該軸上電機移動的工作都將失去精準。

郭靜遠、應正浩和張笑語經過仔細測量后，用鉛筆在木板上標出打孔點，并用立式鉆床打孔。為防止打偏，先鉆小孔，對準后快速旋轉鉆床右邊的把手，使鉆頭快速下降并返回，盡量避免偏差。

考慮到如果就這樣旋進螺絲，螺帽會凸出木板外，影響整體美觀，所以用鑰匙旋下小鉆頭，換上稍大一點的鉆頭打出沉孔。沉孔與打孔不同，只需把鉆頭對準小孔，接觸后放松木板，鉆頭會自動調整以對準中心，沉孔沉到一定位置應立刻結束，避免打穿木板。

在指導老師的幫助下，我們終于做出了一個像模像樣的機器人框架。接下來是電路的調試安裝。

1.測試電機的線路連接

先將步進電機上的導線區分開，并用萬能表的2個表棒分別接觸8個彩色線頭，通過觀察萬能表指針的轉動，辨別電機內部的線路，為下一步的連接做準備。

要想機器人能完成搬運工作，還需給它安裝一個能抓東西的執行裝置，我們決定自制一個電磁鐵。

雖然初中就已學過電磁鐵，但自己制作還是第一次，得用極細的金屬絲緊緊纏繞在卷軸上，還要保證它不斷，非常麻煩。在大家的努力下，電磁鐵終于完成了。

要讓機器人動起來還需編程。初次接觸PMC配置軟件，我們對此一無所知，王晨煥同學抱著必勝的信念，在研究了厚厚的一沓資料后開始上手操作。幾次修改和調試后，機器人終于能動起來了。

2.測試盒子的研究

最初我們想用白盒子內附一塊鐵皮進行測試，張笑語、童瀟將金屬夾拆開、錘平，并鋸成小塊鐵皮，但粘上后效果不佳，且電磁鐵吸引的位置有偏差。有同學提議用硬幣嘗試，又因盒子太重而失敗。最后黃易單從家里帶來一些金屬盒，由劉鈺青裝飾后最終完成。

3.主要核心元件

①三軸聯動PLC型運動制器PMC-20MT-3

PMC是可編程運動控制器，集成了PLC與運動控制器雙重功能，而且編程方法簡單。該控制器可控制三個電機運動，實現點位、連續、聯動等功能，同時具有循環、跳轉等功能，還能連接電腦軟件，實現電腦模擬控制、軟件分布調試、示教等功能，廣泛應用于自動化控制行業。

使用前，需在電腦上安裝PMC下載驅動程序。我們使用485數據線將PMC與電腦連接，打開設備管理器，找到端口后進入高級設置，更改次端口號，就可在已下載的程序上編程。機器人有了“靈魂”，就能完成指定的任務了。

②步進電機驅動器

步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行裝置。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，就會驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可通過控制脈沖個數來控制角位移量，達到準確定位的目的。同時通過控制脈沖頻率控制電機轉動的速度和加速度，可達到調速和定位的目的。

步進電機驅動器采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使其步進轉動。下圖是步進電機工作原理示意圖。

滾珠絲杠由螺桿、螺母等組成，它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，當滾珠絲杠作為主動體時，螺母隨絲桿的轉動角度按照對應規格的導程轉化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現對應的直線運動。

三軸聯動PLC型運動制器PMC-20MT-3采用研宏PMC專業配置軟件編程，界面簡潔，方便操作，新手入門快，能根據我們設計的動作編寫控制邏輯和各種參數，讓機器人完美地動起來。

步進電機驅動器TB6560的設置比較可行，通過查看使用手冊，我們在電流設置、自動半流設置、細分設置、衰減設置等方面進行了各種組合的操作試驗，終于找到合適的數據，并撥碼設置好，使步進電機能安全有效地運行。

三、工作原理

本機器人采用直角坐標來定位，通過x，y，z三維坐標的移動，使機械手能到達三維空間的任意位置，從而使物體被搬運到三維空間的任意位置。

為保證這一點，我們采用硬軟件相結合，硬件以木框為基礎搭載x，y，z軸所需要的光軸、絲桿、步進電機組成的運動機構，以及位置配套的控制器、驅動器和電源。軟件采用PMC運動控制卡軟件，通過編程、485下載線程序下載到控制器，由它發出指令控制運行，使其有能力執行人的命令。（指導老師：汪文峰 程國祥江玲玲）