简易机器人设计制作研究

成刚+龙义+李疆+杜超+任永力

摘 要 技术设计与制作及实验是科学教育专业必修课，教材是高中《通用技术》，增设了“简易机器人制作”模块。随着教育制度的改革，机器人在教育领域占据一席之地。通过实验研究，利用实验室机器人套件，设计了简易机器人制作方案、结构设计以及程序编写。

关键词 通用技术 机器人 设计 制作

中图分类号：TP242.6 文献标识码：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 设计构想提出

贵阳学院科学教育专业开展了“简易机器人制作”课程，机器人制作就是该课程中的一个学习任务。通过查阅文献，了解到高中通用技术里面也开展得有机器人模块，确定研究方向。

2 机器人制作方案设计

2.1 提出制作方案

此次设计方案要求，机器人身体必须包含头部、躯干、四肢等基本特征，有明显的双足结构，必须具备两个手臂（每个手臂不少于3个动力关节）。机器人的底盘在场地上的投影尺寸应小于或等于240€？40cm的正方形。完整的机器人整体高度不低于400cm，重量不超过4kg，机器人的两条手臂肩关节顶部距地面的高度不低于300mm。設计方案包括结构设计和动作设计，将会用到套件的一些材料如表1所示：

2.2 机器人结构方案设计

2.2.1 双足结构

本次设计要求机器人必须有明显的双足结构，有明显的活动关节，并能够实现滑步或者走路，对于人形机器人来说，要实现行走是很困难的。因为人形机器人比普通机器人的自由度更复杂，要实现走路，必须有陀螺仪来调节重心才能方便实现，由于没有陀螺仪，本次设计主要实现的是滑步。

2.2.2 躯干结构

机器人的躯干主要有控制器组成，由于控制器比较重，所以不适合放在很高的头部，将其放在机器人的胸部，与两只脚固定下来，尽量降低重心，这样就能够达到平衡。

2.2.3 手的结构

机器人的手设计也很严格，必须要实现敲锣、抱绣球等动作，设计中考虑到其抱绣球的稳定性，在手掌上加了两块弯曲的金属块，防止抱绣球时绣球脱落，经过多次实验并完善，终于完成了机器人手关节和手掌的设计。

2.3 机器人动作方案设计

人形机器人的动作设计是一个相当复杂的过程，要实现动作的连贯是极为困难的，因为它具有很大的主观性和不确定性。人形机器人会涉及到更多的自由度，随着自由度的增加，各个运动关节之间相互影响程度会越来越大。要实现复杂的动作，就需要花大量的时间去动作。如16自由度和8自由度机器人相比，设计动作时就要同时考虑16个关节，这16个关节之间往往有很多相互关联的动作，在确定其角度、位置等参数时较8自由度人形机器人的设计，问题复杂度几何倍数递增，本次研究的人形博创机器人的自由度在16个以上，没有科学有效的方法，动作设计与实现几乎是不可能完成的。

此次机器人动作设计主要用于舞台上表演展示，它将实现以下动作：自动上台、找到麦克风说话、找到绣球、把绣球抛下舞台、回到舞台中央、找到放绣球的柱子、把柱子推下台、找到铜锣、敲锣、再次回到舞台中央、表演一段武术、致谢、自己下台。在这过程中执行的每一个动作都需要精心设计，并且每一个动作都极为复杂，每个自由度之间必须协调一致，才能看到我们想要的动作效果（图1）。

2.4 确定机器人制作方案

在本次设计中，为达到设计制作的效果，遵循了以下几点要求。

（1）创新：在贵阳学院齿轮创客空间，传统的机器人都是以擂台机器人为主，以往的比赛都是擂台赛居多，本次设计须有明显的双腿结构，能够实现一些类似人类的动作，相对非人形（机械形）的机器人来说，这无疑是一种巨大的挑战，也是一次创新。

（2）美观：博创套件能拼出很多形状的机器人，但对于人形的机器人来说，光有一个骨架是不够美观的，为其做了完美的民族服饰，使其看上去不显得单调。

（3）程序规范：本次程序是根据其所要实现的动作而设计，每一个程序都对应相应的动作，在制作完机器人以后，会不断调试程序和修改程序，每一次的调试都很严格要求，做到精简有效。

（4）实用：本次设计的机器人，可以用于比赛、表演。

经过反复研究，最终确定了简易机器人的设计制作方案。

3 机器人制作

3.1 机器人拼装及优化

在准备好拼装机器人所用的套件以后，进行机器人的拼装。刚开始的时候，采用两轮式做一只脚掌，经过几次测试，发现机器人在上坡的时候会被两轮中间的底板卡住，后来改用三个轮子做一只脚掌，解决了上坡难问题。endprint

在拼装手臂的时候，设计了三个关节，这些关节的制作都是为了方便动作的设计。在制作手掌的时候，发现机器人不能抱住绣球，因此放弃了单一的博创套件做手腕，而是采用金属片和博创机器人套件组合，将金属片弯曲成一个弧状，贴在套件上，这样的话博创机器人在抱绣球的时候会显得更稳。

机器人的控制器安装也是一个难题，博创机器人的控制器外形较大，重量也很重，在安装的时候放在机器人的底盘，但是这样做的话就不会看到博创机器人有明显的双腿结构，后来又想把其放在机器人头部，这样看起来就会特别笨重，并且经过测试，其中心不稳，容易摔倒，之后将机器人的控制器放在胸部，有助于降低机器人的重心。也使机器人看起来更加美观。

3.2 控制程序设计流程

自己走上舞台——找到麦克风说话——找到绣球——抱绣球——抛绣球——将放绣球的柱子推下台——找到铜锣——敲锣——回到舞台中央——表演一段武术——致谢——自动走下台。

3.3 控制程序编写及下载

完全是图形化的编程，对于初学者来说容易上手。在程序编写调试完成以后，便可下载到控制器。

4 优化

4.1 系统规划能力

设计要求所有动作必须在五分钟之内完成，因此机器人除了一次性完成动作外，还需在规定时间内完成所设计的任务。本次设计的机器人将以滑步的方式前行，武术动作主要以手的动作为主，敲锣的时候用右手。对于人形机器人来说，具有一定的系统规划才能顺利完成所设置的任务。

4.2 应变能力

机器人到场地擂台上，要保证其不掉下擂台，就要有对非特定物体准确的识别能力，在擂台上，各道具的位置摆放可能特意有100mm至200mm的尺寸偏差。这时候就是考验机器人应变能力的时候，传感器的精确使用显得尤为重要。

4.3 视力

考验机器人识别物体的颜色能力，不同的道具有不同的颜色，摄像头的调节及优化有助于准确定位摆放物品，机器人才能够准确判别并执行相应的动作。

4.4 爬坡能力

机器人上坡很关键，其关系到后面的动作是否能顺利进行。在上坡的时候，需降低机器人的重心，机器人身体稍稍向前倾，同时用红外测距传感器探测路线，防止机器人坠下擂台。

基金项目：得到了2016年贵阳学院校级教学团队-综合实践活动课程資助；论文得到了2016贵州省省级实验教学示范中心-贵阳学院科学与教育实验教学示范中心的资助，得到了贵州省省级专业综合改革试点项目2013黔教高发（2013466号）附11号的资助，得到了2015年省级本科教学工程“应用型本科院校创新创业课程体系研究”的资助

参考文献

[1] 花晨.基于创意之星的竞技机器人设计.大学生论文联合比对库，2015.

[2] 王择，李响，胡金鑫，王浩冉，李鑫，刘赛赛.武术擂台赛的仿人智能机器人设计.现代计算机（专业版），2016.

[3] 许晓飞，邹建勇.人形机器人结构与动作的设计[J].电子技术，2015（2）.endprint