成剛+龍義+李疆+杜超+任永力

摘 要 技術(shù)設(shè)計(jì)與制作及實(shí)驗(yàn)是科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)必修課，教材是高中《通用技術(shù)》，增設(shè)了“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”模塊。隨著教育制度的改革，機(jī)器人在教育領(lǐng)域占據(jù)一席之地。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，利用實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人套件，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易機(jī)器人制作方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及程序編寫(xiě)。

關(guān)鍵詞 通用技術(shù) 機(jī)器人 設(shè)計(jì) 制作

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shè)計(jì)構(gòu)想提出

貴陽(yáng)學(xué)院科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)開(kāi)展了“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”課程，機(jī)器人制作就是該課程中的一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，了解到高中通用技術(shù)里面也開(kāi)展得有機(jī)器人模塊，確定研究方向。

2 機(jī)器人制作方案設(shè)計(jì)

2.1 提出制作方案

此次設(shè)計(jì)方案要求，機(jī)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(jié)構(gòu)，必須具備兩個(gè)手臂（每個(gè)手臂不少于3個(gè)動(dòng)力關(guān)節(jié)）。機(jī)器人的底盤(pán)在場(chǎng)地上的投影尺寸應(yīng)小于或等于240€？40cm的正方形。完整的機(jī)器人整體高度不低于400cm，重量不超過(guò)4kg，機(jī)器人的兩條手臂肩關(guān)節(jié)頂部距地面的高度不低于300mm。設(shè)計(jì)方案包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)作設(shè)計(jì)，將會(huì)用到套件的一些材料如表1所示：

2.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 雙足結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)要求機(jī)器人必須有明顯的雙足結(jié)構(gòu)，有明顯的活動(dòng)關(guān)節(jié)，并能夠?qū)崿F(xiàn)滑步或者走路，對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)行走是很困難的。因?yàn)槿诵螜C(jī)器人比普通機(jī)器人的自由度更復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)走路，必須有陀螺儀來(lái)調(diào)節(jié)重心才能方便實(shí)現(xiàn)，由于沒(méi)有陀螺儀，本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的是滑步。

2.2.2 軀干結(jié)構(gòu)

機(jī)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(jī)器人的胸部，與兩只腳固定下來(lái)，盡量降低重心，這樣就能夠達(dá)到平衡。

2.2.3 手的結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的手設(shè)計(jì)也很?chē)?yán)格，必須要實(shí)現(xiàn)敲鑼、抱繡球等動(dòng)作，設(shè)計(jì)中考慮到其抱繡球的穩(wěn)定性，在手掌上加了兩塊彎曲的金屬塊，防止抱繡球時(shí)繡球脫落，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)并完善，終于完成了機(jī)器人手關(guān)節(jié)和手掌的設(shè)計(jì)。

2.3 機(jī)器人動(dòng)作方案設(shè)計(jì)

人形機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的連貫是極為困難的，因?yàn)樗哂泻艽蟮闹饔^性和不確定性。人形機(jī)器人會(huì)涉及到更多的自由度，隨著自由度的增加，各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)之間相互影響程度會(huì)越來(lái)越大。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作，就需要花大量的時(shí)間去動(dòng)作。如16自由度和8自由度機(jī)器人相比，設(shè)計(jì)動(dòng)作時(shí)就要同時(shí)考慮16個(gè)關(guān)節(jié)，這16個(gè)關(guān)節(jié)之間往往有很多相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)作，在確定其角度、位置等參數(shù)時(shí)較8自由度人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)，問(wèn)題復(fù)雜度幾何倍數(shù)遞增，本次研究的人形博創(chuàng)機(jī)器人的自由度在16個(gè)以上，沒(méi)有科學(xué)有效的方法，動(dòng)作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)幾乎是不可能完成的。

此次機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)主要用于舞臺(tái)上表演展示，它將實(shí)現(xiàn)以下動(dòng)作：自動(dòng)上臺(tái)、找到麥克風(fēng)說(shuō)話(huà)、找到繡球、把繡球拋下舞臺(tái)、回到舞臺(tái)中央、找到放繡球的柱子、把柱子推下臺(tái)、找到銅鑼、敲鑼、再次回到舞臺(tái)中央、表演一段武術(shù)、致謝、自己下臺(tái)。在這過(guò)程中執(zhí)行的每一個(gè)動(dòng)作都需要精心設(shè)計(jì)，并且每一個(gè)動(dòng)作都極為復(fù)雜，每個(gè)自由度之間必須協(xié)調(diào)一致，才能看到我們想要的動(dòng)作效果（圖1）。

2.4 確定機(jī)器人制作方案

在本次設(shè)計(jì)中，為達(dá)到設(shè)計(jì)制作的效果，遵循了以下幾點(diǎn)要求。

（1）創(chuàng)新：在貴陽(yáng)學(xué)院齒輪創(chuàng)客空間，傳統(tǒng)的機(jī)器人都是以擂臺(tái)機(jī)器人為主，以往的比賽都是擂臺(tái)賽居多，本次設(shè)計(jì)須有明顯的雙腿結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)一些類(lèi)似人類(lèi)的動(dòng)作，相對(duì)非人形（機(jī)械形）的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一種巨大的挑戰(zhàn)，也是一次創(chuàng)新。

（2）美觀：博創(chuàng)套件能拼出很多形狀的機(jī)器人，但對(duì)于人形的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，光有一個(gè)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(diào)。

（3）程序規(guī)范：本次程序是根據(jù)其所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作而設(shè)計(jì)，每一個(gè)程序都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)作，在制作完機(jī)器人以后，會(huì)不斷調(diào)試程序和修改程序，每一次的調(diào)試都很?chē)?yán)格要求，做到精簡(jiǎn)有效。

（4）實(shí)用：本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人，可以用于比賽、表演。

經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，最終確定了簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)制作方案。

3 機(jī)器人制作

3.1 機(jī)器人拼裝及優(yōu)化

在準(zhǔn)備好拼裝機(jī)器人所用的套件以后，進(jìn)行機(jī)器人的拼裝。剛開(kāi)始的時(shí)候，采用兩輪式做一只腳掌，經(jīng)過(guò)幾次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在上坡的時(shí)候會(huì)被兩輪中間的底板卡住，后來(lái)改用三個(gè)輪子做一只腳掌，解決了上坡難問(wèn)題。endprint

在拼裝手臂的時(shí)候，設(shè)計(jì)了三個(gè)關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)的制作都是為了方便動(dòng)作的設(shè)計(jì)。在制作手掌的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人不能抱住繡球，因此放棄了單一的博創(chuàng)套件做手腕，而是采用金屬片和博創(chuàng)機(jī)器人套件組合，將金屬片彎曲成一個(gè)弧狀，貼在套件上，這樣的話(huà)博創(chuàng)機(jī)器人在抱繡球的時(shí)候會(huì)顯得更穩(wěn)。

機(jī)器人的控制器安裝也是一個(gè)難題，博創(chuàng)機(jī)器人的控制器外形較大，重量也很重，在安裝的時(shí)候放在機(jī)器人的底盤(pán)，但是這樣做的話(huà)就不會(huì)看到博創(chuàng)機(jī)器人有明顯的雙腿結(jié)構(gòu)，后來(lái)又想把其放在機(jī)器人頭部，這樣看起來(lái)就會(huì)特別笨重，并且經(jīng)過(guò)測(cè)試，其中心不穩(wěn)，容易摔倒，之后將機(jī)器人的控制器放在胸部，有助于降低機(jī)器人的重心。也使機(jī)器人看起來(lái)更加美觀。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)流程

自己走上舞臺(tái)——找到麥克風(fēng)說(shuō)話(huà)——找到繡球——抱繡球——拋繡球——將放繡球的柱子推下臺(tái)——找到銅鑼——敲鑼——回到舞臺(tái)中央——表演一段武術(shù)——致謝——自動(dòng)走下臺(tái)。

3.3 控制程序編寫(xiě)及下載

完全是圖形化的編程，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)容易上手。在程序編寫(xiě)調(diào)試完成以后，便可下載到控制器。

4 優(yōu)化

4.1 系統(tǒng)規(guī)劃能力

設(shè)計(jì)要求所有動(dòng)作必須在五分鐘之內(nèi)完成，因此機(jī)器人除了一次性完成動(dòng)作外，還需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所設(shè)計(jì)的任務(wù)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人將以滑步的方式前行，武術(shù)動(dòng)作主要以手的動(dòng)作為主，敲鑼的時(shí)候用右手。對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，具有一定的系統(tǒng)規(guī)劃才能順利完成所設(shè)置的任務(wù)。

4.2 應(yīng)變能力

機(jī)器人到場(chǎng)地擂臺(tái)上，要保證其不掉下擂臺(tái)，就要有對(duì)非特定物體準(zhǔn)確的識(shí)別能力，在擂臺(tái)上，各道具的位置擺放可能特意有100mm至200mm的尺寸偏差。這時(shí)候就是考驗(yàn)機(jī)器人應(yīng)變能力的時(shí)候，傳感器的精確使用顯得尤為重要。

4.3 視力

考驗(yàn)機(jī)器人識(shí)別物體的顏色能力，不同的道具有不同的顏色，攝像頭的調(diào)節(jié)及優(yōu)化有助于準(zhǔn)確定位擺放物品，機(jī)器人才能夠準(zhǔn)確判別并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4.4 爬坡能力

機(jī)器人上坡很關(guān)鍵，其關(guān)系到后面的動(dòng)作是否能順利進(jìn)行。在上坡的時(shí)候，需降低機(jī)器人的重心，機(jī)器人身體稍稍向前傾，同時(shí)用紅外測(cè)距傳感器探測(cè)路線(xiàn)，防止機(jī)器人墜下擂臺(tái)。

基金項(xiàng)目：得到了2016年貴陽(yáng)學(xué)院校級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)-綜合實(shí)踐活動(dòng)課程資助；論文得到了2016貴州省省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心-貴陽(yáng)學(xué)院科學(xué)與教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的資助，得到了貴州省省級(jí)專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目2013黔教高發(fā)（2013466號(hào)）附11號(hào)的資助，得到了2015年省級(jí)本科教學(xué)工程“應(yīng)用型本科院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系研究”的資助

參考文獻(xiàn)

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