簡易機器人設計制作研究

成剛+龍義+李疆+杜超+任永力

摘 要 技術設計與制作及實驗是科學教育專業必修課，教材是高中《通用技術》，增設了“簡易機器人制作”模塊。隨著教育制度的改革，機器人在教育領域占據一席之地。通過實驗研究，利用實驗室機器人套件，設計了簡易機器人制作方案、結構設計以及程序編寫。

關鍵詞 通用技術 機器人 設計 制作

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.11.012

Abstract "Technology design and production and experiment" is a compulsory science education， textbooks are high school "general technology"， added a "simple robot production" module. With the reform of the educational system， robots occupy a place in the field of education. Through the experimental study， the use of laboratory robot kit， designed a simple robot production program， structural design and program preparation.

Keywords general technology； robot； design； production

1 設計構想提出

貴陽學院科學教育專業開展了“簡易機器人制作”課程，機器人制作就是該課程中的一個學習任務。通過查閱文獻，了解到高中通用技術里面也開展得有機器人模塊，確定研究方向。

2 機器人制作方案設計

2.1 提出制作方案

此次設計方案要求，機器人身體必須包含頭部、軀干、四肢等基本特征，有明顯的雙足結構，必須具備兩個手臂（每個手臂不少于3個動力關節）。機器人的底盤在場地上的投影尺寸應小于或等于240€？40cm的正方形。完整的機器人整體高度不低于400cm，重量不超過4kg，機器人的兩條手臂肩關節頂部距地面的高度不低于300mm。設計方案包括結構設計和動作設計，將會用到套件的一些材料如表1所示：

2.2 機器人結構方案設計

2.2.1 雙足結構

本次設計要求機器人必須有明顯的雙足結構，有明顯的活動關節，并能夠實現滑步或者走路，對于人形機器人來說，要實現行走是很困難的。因為人形機器人比普通機器人的自由度更復雜，要實現走路，必須有陀螺儀來調節重心才能方便實現，由于沒有陀螺儀，本次設計主要實現的是滑步。

2.2.2 軀干結構

機器人的軀干主要有控制器組成，由于控制器比較重，所以不適合放在很高的頭部，將其放在機器人的胸部，與兩只腳固定下來，盡量降低重心，這樣就能夠達到平衡。

2.2.3 手的結構

機器人的手設計也很嚴格，必須要實現敲鑼、抱繡球等動作，設計中考慮到其抱繡球的穩定性，在手掌上加了兩塊彎曲的金屬塊，防止抱繡球時繡球脫落，經過多次實驗并完善，終于完成了機器人手關節和手掌的設計。

2.3 機器人動作方案設計

人形機器人的動作設計是一個相當復雜的過程，要實現動作的連貫是極為困難的，因為它具有很大的主觀性和不確定性。人形機器人會涉及到更多的自由度，隨著自由度的增加，各個運動關節之間相互影響程度會越來越大。要實現復雜的動作，就需要花大量的時間去動作。如16自由度和8自由度機器人相比，設計動作時就要同時考慮16個關節，這16個關節之間往往有很多相互關聯的動作，在確定其角度、位置等參數時較8自由度人形機器人的設計，問題復雜度幾何倍數遞增，本次研究的人形博創機器人的自由度在16個以上，沒有科學有效的方法，動作設計與實現幾乎是不可能完成的。

此次機器人動作設計主要用于舞臺上表演展示，它將實現以下動作：自動上臺、找到麥克風說話、找到繡球、把繡球拋下舞臺、回到舞臺中央、找到放繡球的柱子、把柱子推下臺、找到銅鑼、敲鑼、再次回到舞臺中央、表演一段武術、致謝、自己下臺。在這過程中執行的每一個動作都需要精心設計，并且每一個動作都極為復雜，每個自由度之間必須協調一致，才能看到我們想要的動作效果（圖1）。

2.4 確定機器人制作方案

在本次設計中，為達到設計制作的效果，遵循了以下幾點要求。

（1）創新：在貴陽學院齒輪創客空間，傳統的機器人都是以擂臺機器人為主，以往的比賽都是擂臺賽居多，本次設計須有明顯的雙腿結構，能夠實現一些類似人類的動作，相對非人形（機械形）的機器人來說，這無疑是一種巨大的挑戰，也是一次創新。

（2）美觀：博創套件能拼出很多形狀的機器人，但對于人形的機器人來說，光有一個骨架是不夠美觀的，為其做了完美的民族服飾，使其看上去不顯得單調。

（3）程序規范：本次程序是根據其所要實現的動作而設計，每一個程序都對應相應的動作，在制作完機器人以后，會不斷調試程序和修改程序，每一次的調試都很嚴格要求，做到精簡有效。

（4）實用：本次設計的機器人，可以用于比賽、表演。

經過反復研究，最終確定了簡易機器人的設計制作方案。

3 機器人制作

3.1 機器人拼裝及優化

在準備好拼裝機器人所用的套件以后，進行機器人的拼裝。剛開始的時候，采用兩輪式做一只腳掌，經過幾次測試，發現機器人在上坡的時候會被兩輪中間的底板卡住，后來改用三個輪子做一只腳掌，解決了上坡難問題。endprint

在拼裝手臂的時候，設計了三個關節，這些關節的制作都是為了方便動作的設計。在制作手掌的時候，發現機器人不能抱住繡球，因此放棄了單一的博創套件做手腕，而是采用金屬片和博創機器人套件組合，將金屬片彎曲成一個弧狀，貼在套件上，這樣的話博創機器人在抱繡球的時候會顯得更穩。

機器人的控制器安裝也是一個難題，博創機器人的控制器外形較大，重量也很重，在安裝的時候放在機器人的底盤，但是這樣做的話就不會看到博創機器人有明顯的雙腿結構，后來又想把其放在機器人頭部，這樣看起來就會特別笨重，并且經過測試，其中心不穩，容易摔倒，之后將機器人的控制器放在胸部，有助于降低機器人的重心。也使機器人看起來更加美觀。

3.2 控制程序設計流程

自己走上舞臺——找到麥克風說話——找到繡球——抱繡球——拋繡球——將放繡球的柱子推下臺——找到銅鑼——敲鑼——回到舞臺中央——表演一段武術——致謝——自動走下臺。

3.3 控制程序編寫及下載

完全是圖形化的編程，對于初學者來說容易上手。在程序編寫調試完成以后，便可下載到控制器。

4 優化

4.1 系統規劃能力

設計要求所有動作必須在五分鐘之內完成，因此機器人除了一次性完成動作外，還需在規定時間內完成所設計的任務。本次設計的機器人將以滑步的方式前行，武術動作主要以手的動作為主，敲鑼的時候用右手。對于人形機器人來說，具有一定的系統規劃才能順利完成所設置的任務。

4.2 應變能力

機器人到場地擂臺上，要保證其不掉下擂臺，就要有對非特定物體準確的識別能力，在擂臺上，各道具的位置擺放可能特意有100mm至200mm的尺寸偏差。這時候就是考驗機器人應變能力的時候，傳感器的精確使用顯得尤為重要。

4.3 視力

考驗機器人識別物體的顏色能力，不同的道具有不同的顏色，攝像頭的調節及優化有助于準確定位擺放物品，機器人才能夠準確判別并執行相應的動作。

4.4 爬坡能力

機器人上坡很關鍵，其關系到后面的動作是否能順利進行。在上坡的時候，需降低機器人的重心，機器人身體稍稍向前傾，同時用紅外測距傳感器探測路線，防止機器人墜下擂臺。

基金項目：得到了2016年貴陽學院校級教學團隊-綜合實踐活動課程資助；論文得到了2016貴州省省級實驗教學示范中心-貴陽學院科學與教育實驗教學示范中心的資助，得到了貴州省省級專業綜合改革試點項目2013黔教高發（2013466號）附11號的資助，得到了2015年省級本科教學工程“應用型本科院校創新創業課程體系研究”的資助

參考文獻

[1] 花晨.基于創意之星的競技機器人設計.大學生論文聯合比對庫，2015.

[2] 王擇，李響，胡金鑫，王浩冉，李鑫，劉賽賽.武術擂臺賽的仿人智能機器人設計.現代計算機（專業版），2016.

[3] 許曉飛，鄒建勇.人形機器人結構與動作的設計[J].電子技術，2015（2）.endprint