可重构模块化教学机器人设计

金安成，路敦民，李 彬，梁志强，庄伟斌

(北京林业大学工学院，北京100083)

随着网络与集成技术的迅速发展，机器人除在制造业、农业、医疗等方面得到越来越多广泛应用外，已开始渗透到人们生活的各个方面，因此导致机器人技术与相关方面人才的需要迅速增加，而教学机器人作为这种先进技术的实物载体，在教学中的位置也越来越重要［1］。教学机器人是一种适合大中专学生的具有开放式特征的实训实验平台，是多种高科技的融合。

模块化机器人恰恰符合教学机器人的要求。模块化机器人系统是由一套具有不同尺寸和性能特征的模块组成的，通过这些模块能快速装配出最适用于完成给定任务的机器人［2－4］。

现已有博创科技、森汉科技、中山大谷、北京智能佳等多家公司在制作和生产模块化机器人，可以达到简单地拼接成不同类型并通过控制可完成不同任务的机器人。但这些以效益为主的公司所研制和生产的产品存在许多弊端，并不匹配于教学。

(1)机器人这种新兴产品所面向消费者必是中高消费人群，故其价格较高，不适合于成百套地购买用于教学［5］。

(2)现阶段各公司的产品多是以娱乐玩具、生活帮手等固定式、局限性的特征立于市场抓住消费者眼球，比如一套套件只能做一个会跳舞的机器人，没有深度开发的潜质，对教学来说没有意义。

(3)套件的材质，由于研发的出发点就是以玩具类为主题，所以现阶段机器人的模块材质多以塑料为主，比如博创科技的第一代以及第二代产品的模块都是用塑料生产而成，因为塑料的强度及刚度都远小于金属，这就造成了舵机连接件变形大，抗扭矩小等缺点，无法搭建多关节机械臂。

(4)产品的结构设计，对比多公司的产品发现，各公司的机器人模块型式都大同小异，综合特点就是型式太单一，造成自由度小，无法搭建可以完成更加复杂任务的各种机器人。

综上所述，想要让模块机器人作为教学套件，一是选好舵机，二就是设计好舵机连接架。

1 模块化套件设计

1.1 模块设计准则

机器人套件是典型的机电一体化产品［6］，在进行模块化设计时，要考虑到实现各模块的标准化、通用化、规格化，使其具有互换性、相关性［7］，同时也要考虑到机器人整个系统的强度、刚度等问题［8］。因此，模块设计应遵循以下准则:

(1)具有相对独立的特定功能。根据所要实现的功能，恰当地确定模块的数量和大小，要是模块间的相互作用最小，从而使模块功能独立性最大。

(2)具有互换性。相同模块在结构和功能上应具有互换性;而性能和结构各异而功能相同的模块也应能互换使用，以便设计出系列化产品。

(3)具有通用性。模块不仅实现横系列、总系列通用，而且实现跨系列通用，并且通用模块间机械、电气接口要尽量简单，以便套件的安装、调试和维修。

(4)具有良好的经济性。模块组合时，应使所构成的结构具有明确的目的性、较大的灵活性和良好的经济性。

1.2 模块设计内容

(1)选择合适的舵机，用以配备教学模块机器人套件，使其有更多的自由度，可以完成更多的教学项目。

(2)舵机连接件的设计［9］，使其可以和舵机紧固连接并保证刚度和强度的要求，可实现多种自由度，达到拼接更加灵活的关节的目的。

(3)除舵机连接件之外的一些中心连接件(如圆形舵盘、一字舵盘)、辅助件的设计，使该套件可以搭建更多类型的机器人，更大程度地开拓使用者的思维［10］。

1.3 模块化结构设计

1.3.1 标准模块设计

(1)舵机架

舵机架结构相同，通过增加零件 (小舵机连接板)，可使现有舵机架可容纳MG995及SMS8166M两种大小不同的舵机，更体现模块化这一特点——通用性［11］。

当连接大舵机时，如图1所示，不用安装两个小连接片，直接把大舵机连接其上;当要连接小舵机时，如图2所示，通过两个连接片，使小舵机也可以连接其上，达到了大小通用的效果。

图1 航机架连接大舵机Fig.1 Navigation frame connected with big steering gear

图2 航机架连接小舵机Fig.2 Navigation frame connected with small stearing gear

(2)“U”型件

U型件 (如图3所示)是舵机传递运动的构件［12］，在舵机架上安装一法兰轴承，使舵机传输动作的“U”型件一边连于舵盘，一边连于轴承，使其连接更稳定，当悬臂较长时，不会出现手臂不稳的现象，很好地解决了现有设备U型件的连接问题。U型件与舵机架的设计尺寸紧密相连，因为舵机有大小两种舵机，故U型件的设计也要适合两种舵机。

图3 U型件Fig.3 U-shaped componert

当安装上两种舵机后，所需U型架的尺寸相差很小，可设计固定尺寸的U型架，正适合大舵机连接，当连接小舵机时，采取在舵机架底部法兰轴承下垫螺母的方法来解决问题。如图4和图5所示。

图4 连接大舵机Fig.4 Connected with big steering gear

图5 连接小舵机Fig.5 Connected with small steering gear

(3)机械臂旋转模块

如图6所示，通过一个大小合适的推力轴承解决了机械手在底盘旋转的问题，不再像现有套件机械臂受力都加载于舵盘及舵机轴上，使其受力承载于轴承上，使整个机械臂的基体更稳定。

(4)机械手爪模块

抛弃市面现有的整体机械爪，图7中自行设计的机械爪抓取范围大，使机械爪整体连接稳定，不会出现抓取水杯等重物时使舵机受力较大的现象。

图6 机械臂旋转Fig.6 Rotation of the mechanical arm

图7 机械抓Fig.7 Mechanical grip

(5)舵机选择

大舵机选择为春天SM－S8166M型模拟舵机，该舵机输出扭矩为33 kg－cm，且舵机底部为平底，无塑料轴，适合所设计的舵机架。在小舵机方面，选择MG995通用型舵机，其尺寸为现在市场上最通用的，其各种配件也很齐全［13］。

1.3.2 可重构机器人装配效果图

可重构机器人装配效果如图8和图9的示。

图8 机械手臂Fig.8 Mechanical arm

图9 爬虫式机器人Fig.9 Crawler type robot

2 结论

本文提出了可重构模块化教学机器人的零件设计、材料选取及可重构实现方法，不仅解决了当前市场上教学机器人价格高昂、易损坏、可重构性差等问题，而且开发了一套易于学生搭建、功能强大、通用性强、制造简单、成本低廉、便于拆卸的机器人模块，利于学生对机器人各个基本机构原理的理解，为广大大中专学生提供了具有开放式特征的实训实验平台，激发了学生对机器人知识的浓厚兴趣和热情。

［1］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］成大先.机械工程手册:机械设计(二)［M］.北京:机械工业出版社，1982.

［3］郭卫东.机械原理［M］.北京:科学出版社，2010.

［4］辛 颖，薛 伟，杨铁滨，等.楚鱼创意组合模型在机器人林木实验教学中的实践与应用［J］.森林工程，2012，28(1):81 －84.

［5］蔡自兴.机器人学［M］.北京:清华大学出版社，2000.

［6］张立勋，王 亮.机电一体化系统设计［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［7］加藤一郎.机械手图册.上海:上海科学技术出版社，1979.

［8］邝治全.可重构模块化教学机器人之机身设计［D］.广州:广东工程职业技术学院，2007.

［9］陶 晔.组合模块化机器人机械手爪的设计研究［D］.南京:东南大学，2004.

［10］日本机器人学会，宗光华译.机器人技术手册［M］.北京:科学出版社，1996.

［11］刘思宁，陈 永，章文俊.模块机器人及计算机辅助设计［J］.机器人，1999，21(1):16 －22.

［12］陈 丽，王越超，李 斌，等.蛇形机器人研究现况与进展［J］.机器人，2002，24(6):559 －563.

［13］刘 繄.自重构模块化机器人重构规划方法的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2009.