機器人設計及制作技術研究

陳興　劉超平

【摘 要】隨著科學技術的不斷發展，機器人漸漸進入人們的生活中，眾多的機器人種類，讓很多人對機器人的設計及制作很迷茫，本文針對這種情況，綜合各種資料并加入本人的理解及設計制作思路，講了機器人設計時主要考慮的原則，又講了設計的步驟及各種方案對比等步驟直至作出完整的機器人。

【關鍵詞】機器人 機器人設計 機器人組裝 舵機控制 技術研究

機器人的種類很多，按機械結構類型分有關節型機器人、球坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、直角坐標型機器人等；按用途分有焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機器人、裝配機器人、切削加工機器人、噴漆機器人、檢測機器人等；還可以按控制方式、機器人的功能水平等分類方式進行分類。眾多的機器人種類，讓很多人對機器人的設計很迷茫，即使看過很多相關書籍也不知從何著手，本文從機器人最基礎的設計說起。

機器人設計主要考慮的原則：首先要能滿足作業內容、工作空間、工作質量及定位精度等技術參數要求；時時考慮功能價格比，自由度多，價格昂貴。但是想設計一個全新的機器人，要從硬件和軟件兩方面考慮。

設計步驟如下：

1總體方案設計

以單片機作為核心控制器，控制18路舵機（以小型六足機器人為例）的快速平穩運行，實現機械結構的運動。

2電機選擇方案論證

方案一：選用普通直流電機作為驅動源。優點是控制簡單，缺點是需要外部功率放大電路，無法精確控制轉動角度。

方案二：選用步進電機作為驅動源。是將固定脈沖信號轉換為固定角位移的裝置。優點是角度精確，缺點是同樣需要借助外部功率放大電路發揮作用，且旋轉角度為相對角度。

方案三：選用舵機作為驅動源。同樣是將特定脈沖信號轉換為固定角位移的裝置，但是無需借助外部功率放大電路，且轉動角度為絕對角度，因而廣泛用作機器人的驅動源。

3單片機選型

普通舵機控制信號的分辨率大約5微秒，由于舵機的控制信號的周期為20毫秒，若采用定時器外部串斷法產生控制信號，單片機至少應具有一個以上的16位定時器。同時，由于本次設計的機器人具有18個自由度，要對18路舵機進行調速操作，這就要求單片機應具有較快的運行速度處理比較復雜的數學、邏輯運算。傳統復雜指令的8051單片機很難做到以上幾點，而其它的比較高級的單片機（如AVR、MSP430、STM32等）大多可以做到。

4電源系統方案論證

普通舵機正常工作時的電壓為3.6伏至6伏，工作電流為200毫安左右，若施加外部負載，電流將逐步增大，最大為500毫安左右。傳統的穩壓電路和移動電源均無法滿足上述要求，需設計一種新型供電系統。

方案一：選用普通鋰電池。普通充電鋰電池的額定工作電流為 2安左右，若實現最大 9 安培電流的輸出，需將幾節電池并聯使用。該 方案有諸多弊端：體積較大；使用時間較短；若工作的電池電壓相差較大，將導致電池之間的充電與放電，效率將大大降低。

方案二：選用大功率開關電源。開關電源雖然能夠滿足舵機的功 率要求，但是由于需要將機器人系統與電源之間用導線連接，因而限制了機器人的活動空間。

方案三：選用大功率航模電池。航模鋰電池的體積較小，可以方便地作為機器人的負載移動電源。大功率的航模鋰電池可以輸出幾十安的電流，完全滿足18路舵機的供電需求。另外，航模鋰電池與上述方案相比，成本較低。

5穩壓電路方案論證

方案一：選用普通穩壓芯片。普通穩壓芯片的輸出電流為 1.5 安培至 3 安培，雖然可以通過大功率二極管的方式實現擴流效果，但如果完成最大 9 安培的電流輸出，必須將幾個穩壓芯片并聯使用，這樣將導致穩壓電路復雜化。

方案二：選用大功率整流橋降壓。大功率整流橋降壓的工作原理是單個二極管正向導通會產生 0.6V 的壓降。由于整流橋導通時會有兩個二極管正向導通，而已單個整流橋會產生 1.2V 左右的壓降。航模鋰電池的正常工作電壓為 7.2V 至 8.4V，串聯兩個整流橋即可讓電池工作電壓滿足舵機的正常工作電壓。雖然該方案相對方案一電路簡單，但是舵機的工作電壓將從 6V 降低到 4.8V，由于舵機的工作扭矩與工作電壓成正比，隨著航模電池工作電壓的下降，舵機承受負載的能力也將隨之下降。

方案三：選用大功率穩壓芯片。本次機器人供電系統的設計選用的是TI公司生產的大功率集成穩壓芯片LMZ12010。該穩壓芯片最大輸出電壓為6V，最大輸出電流為10A，完全滿足本次設計的要求，且工作電流比較簡單。

6正式制造

（1）電腦上設計所要零件及其組合，并進行動畫演示。（動手能力強的可省略）

（2）根據設計買來或作出相應零件。

（3）進行組裝。組裝的時候要根據條件進行一些順序上的調整，將各個零件依據位置的不同分類，開始組裝。可以先從腿部開始組裝，然后將其他的部位拼接上去。在一些需要裝舵機的地方，先裝上舵盤，確定厚、薄舵盤的位置，切記不要裝反，左右手、腳上的應該是對稱裝的。這樣，我們設計的機器人硬件就可組裝完成了。

軟件編程要根據所選單片機種類時行編程。一開始可以先編寫簡單動作的流程圖，實驗無誤后進行深一步的編程。可利用兩個定時器中斷控制 18路舵機，其中每個定時器控制9個舵機。先將將20ms的周期分解成8份，這樣每個定時器就能控制8個舵機。由于機器人在執行每個動作時舵機的運行并非完全不一致，因而可將剩余的兩個舵機與其它的舵機進行捆綁控制。由于機器人在運行的過程中，舵機運動的次數比較頻繁，同時為了保證機器人動作的平滑性，需對舵機進行調速控制。可將預期PWM值12分解成若干PWM值，每個PWM值對應舵機一個角度，即讓舵機從起始位置轉動若干次后到達預期位置。由于舵機控制信號的周期為20ms，忽略舵機的實際轉動時間，每產生一次預期PWM值，舵機將轉動N次，將需要 20*Nms 的時間，如此可達到調速的目的。另外，為了進一步降低舵機的轉速，可在定時器中斷服務程序中設置中間變量控制定時器寄存器的賦值時間。

我國目前正從勞動密集型向現代化制造業方向發展，機器人自動化生產線的不斷出現，不僅大大增強了企業競爭力，也給用戶帶來了顯著效益，隨著企業自動化水平的不斷提高，機器人自動化生產線的市場肯定會越來越大，將逐漸成為自動化生產線的主要形式。如果考慮到我國整個制造業的需要，工業機器人市場則更加龐大。廣泛采用工業機器人，不僅可以有效提高產品質量，而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節約材料消耗以及降低生產成本都具有十分重要的意義。希望我也為祖國的機器人發展貢獻自己的一點微薄力……