机器人教学探究之机械入门——计算机辅助机械设计

上海大学附属中学 汪玥辉



机器人教学探究之机械入门——计算机辅助机械设计

上海大学附属中学 汪玥辉

单马达机器人是高中各项科技活动中常见的一种机械结构，本专题内容从机械原理出发针对其进行研究与改进，旨在引导学生在探究活动中掌握机器人机械设计的基本方法。

机构设计 单马达 四杆机构 运动仿真 计算机辅助设计

1 课题背景

伴随着全新的信息科学与技术发展和全球性的教育改革，国际青少年电脑机器人活动于20世纪90年代在一些发达国家青少年中逐步兴起。近几年来，机器人教育已经在全国发达城市中小学中广泛开展起来，并大有普及之势。

2006年，我校申报宝山区区级课题《机器人步行模式的研究与设计》，期间在上海大学的指导和我校科技教师的共同努力下于2009年顺利结题，课题从高中教学层面探讨了机器人机构设计如何应用于高中学段学生。

2 理论基础

我们考虑从机器人的一个板块出发，利用学生对机器人机械结构的认识和研究开始逐步破解学生对机器人的神秘感，锻炼学生的科研能力，引导学生从设计出发，自己动手设计并制作机器人。从而让学生能够从中体验较为完整的科研过程，使他们学到科学有效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高分析问题和解决问题的能力。同时，在课程及活动中穿插结合专家讲座以及实践探索等一系列方式来了解智能机器人的发展和应用状况，并在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。最终的目的是能为同学们开设一门能充分发挥创造力的创新课程，或者说向这个目标做一些有益尝试。

我们知道了一般机器人的设计可以分为三个部分：机械部分、电路部分和程序部分，而其中最为基础的便是机械部分。高中最常见的机器人活动竞赛就是单马达的简易机器人搭建了，通过不同的结构可实现跑步、爬杆、爬梯（图1）等不同的动作。类似的比赛中经常有一条规则是一定要使用曲柄连杆机构，不得使用轮式，这就涉及到了一个基本的机构学概念——机械传动，具体的搭建方式虽然可以参照机器人的说明书，但如果能真正掌握其原理必然让学生对机器人有更深一层次的认识。

图1 各类单马达机器人

有了这些理论基础和想法，我们咨询了上海大学机械工程系的专家，从可行性角度对本课题进行了论证，在肯定我们想法的同时专家还从技术角度解答了我们的一些疑问，提供了我们一些新的思路和手段。我们打算第一步就从机械板块进行教学的深入探究，让学生重新认识机械设计这一可能会被忽略的机器人最基础的部分。

3 课程设计

遵循这样一个切入点我们针对机械结构部分为学生设计了以下的一系列学习课程，大致分为了这样几个阶段：

3.1 观察分析阶段

一开始通过对机器人的搭建及观察，学生接触简易单马达机器人，从实际出发认识一个机器人完成整个运动过程的基本方式，培养学生的动手能力和合作精神，并使其掌握读图纸、零件装配等一些基本工程技术素养。

3.2 理论学习阶段

本环节通过对四杆机构这样一种常用的传动方式的介绍，带领同学从单纯照搬图纸过度到进行简易机构分析的层面。机器人制作课程实际是一种跨学科的学习课程，须灵活运用各种学科的知识。现在的高中课程中，学生们学了很多数学、物理、计算机方面知识和解题方法，但遇到实际问题往往就不会运用了。如本环节用到了很多他们学过的数学知识，既让他们觉得设计并不是那么遥不可及从而失去信心和兴趣，又让他们在真实的情景中体验学以致用的快乐，更好的提升他们学习科学文化知识的热情。

3.3 技术实践阶段

有了一定的理论基础以后我们可以利用一系列的技术手段让学生的所学得到巩固提高，来一次理论联系实际。受到了《神奇的仿真技术》课程的启发，我们考虑借助计算机仿真这一手段。一方面机械结构的实物的设计制作存在一定成本，另外计算机辅助设计作为一门新兴学科也已经登陆到了高中课堂（一些学校已经开设了AUTOCAD、CAXA等课程）。经过我们的几次尝试这一环节可以通过多种方式去实现，比如可结合数学计算利用VB的绘图功能进行二维机构仿真（图2），再比如有一些现成的软件（如working model 2D）可以实现类似真实模拟环境下的机构仿真。最新的探究中我利用了上海市青少年活动中心组织的培训，掌握了工程设计领域的权威软件ProE，其中即可实现三维模型的建模，又可模拟真实的三维运动（图3），很好地为学生的自主探究提供的一种手段。

图2 数学计算后实现的VB机构学运动图

图3 三维机构仿真搭建

3.4 创新实践阶段

在经过了上述各阶段的学习以后，学生对于机械结构的认识可以说有了一个质的飞跃，这为其以后参与到各项机器人的活动中打下了扎实的基础。至少在机器人的机械部分，我们总结出了即使在是看似再简单的机械结构，也要经历结构设计、运动模拟、计算机辅助设计、计算机辅助制造等环节。而且这个流程不是一蹴而就的，必将经过反复的修改和测试，下面我们来看一个成功的例子。

4 具体案例

以下为第24届英特尔上海市创新大赛我校机器人创意设计一等奖作品的论文节选，该论文中的学生就是在经过了上述过程的学习后改进了一个步行机器人结构，虽然在参赛过程中专家对于其在实用性方面还存在一定争议，但评委们一致认为在机械结构设计这一部分，其科学性和新颖性已经达到了一定高度。

论文改进了一个容易跌倒的双足步行机器人结构，通过模拟人行走的膝关节和踝关节从结构上进行了一定创新，基本达到了课题制定的目标，下面是文章的部分节选，其分别对应了我们上述提到的机器人机构设计的几个步骤。

4.1 有机构的分析

我们仔细观察暑假中制作的那个会“摔跤”的步行机器人，发现从机器人的结构上看，有曲柄还有连杆，是一个四杆机构。紧接着我们用直尺量出了模型的各部件尺寸并在运动模拟软件——WORKING MODEL中对其运动过程进行了模拟，从而进一步分析其运动。

而在WORKING MODEL的运动模拟中（如图4），我们发现原机器人的机械装置并没有人那样的关节。从图中能观察到，由于没有膝关节和踝关节的屈伸活动，因此在行走过程中，当从机械足跟着地到机械全足放平这一阶段，前后的重心没能很好地调整，系统重心会突然前倾，影响行走的平稳性。机器人行走过程中前后重心不稳的问题就出在这里。

图4 改进前的机器人机构简图在WORKING MODEL软件中的样子

4.2 结构创新设计

根据分析，要是能设计一个能活动的且最好与地面始终保持水平的足问题便迎刃而解了。我们询问了老师也在网络和相关机构学书籍中查找了资料，了解到了有一种叫做平行四杆机构的方式，如资料显示，双曲柄平行四杆机构有四类，从外观判断其中a类应该就是我们需要的方式。有了这个关键的机构原理作支撑，我们开始了对原有机构的改进。

从运动转换角度分析，该装置是单自由度的曲柄摇杆机构，构造和控制均相当简单。从支撑的角度分析，该装置叠加了两个平行四杆机构，因而具备活动的膝关节和活动的踝关节，在行走过程中，装置的机架部分始终与地面保持平行，能较平稳地移动系统的重心位置，避免突然前倾的现象出现。这些都符合了我们之前机构设计的需要（如图5）。

图5 在WORKING MODEL中改进后的机器人的运动模拟图

4.3 计算机辅助设计（CAD）

接下来，我们在仿真软件里测量了各个部件的尺寸，然后按照一定的比例缩放后得到实际的部件的尺寸。

在设计时发现了各铰接点的连接是一个很大的问题，简易机器人里都是利用插销来实现的，其优点是成本低，但缺点很多如：容易磨损和脱落等。询问了老师后，他建议我们使用轴承，并告知了我们轴承的一般装配方式。

在设计时还要考虑大足的制作、马达乃至以后传感器等的安装位置的预留、如何使整个机架的重心尽量降低以保证其稳定性等问题。在老师的帮助下终于在CAD中完成了各个零件的设计，并将它们组装成了模型（如图6）。我们联系了加工的地方利用雕刻机将基本的部件制作了出来，一些较为关键的部件老师帮我进行了挑选，比如马达和齿轮，挑选了内部应用蜗杆的齿轮箱增大了扭矩，而且降低了噪音，齿轮的外挂设计也有效地防止了齿轮卡死（如图7）。

图6 模型设计图

图7 驱动部分设计图

4.4 计算机辅助制造（CAM）

在雕刻机的帮助下，一个个由我们设计的机构零件终于由电子文件变成了实物（如图8）。经过最后的拼装搭建，我们自己设计的第一台机器人终于出世（如图9）。

图8 机器人零件图

图9 模型实物图

5 思考与小结

上述活动过程我们考虑可设计成一个系列的短课程，包含机器人制作、机构学入门、计算机机械仿真、CAD模型设计等环节，涵盖了当前用于机械部分设计的比较主流的设计思路和手段方法。结合了数学、物理、计算机等多门学科的综合知识，可以让学生在运用自己的所学中不断有新的发现，认识到各学科之间其实是相通的，很多我们学习的理论是为技术服务的。而在最后的模型制造环节之前的操作是将可行性较高的设计送去外部加工，以后学校如有条件可考虑采购一台小型雕刻机，一些简单设计可以直接完成CAM，学生的认识会更加直观也可作为活动的一个高潮和小结部分。

我们的初衷是想通过对机器人机械部分的研究与设计，学生能不再局限于使用各公司的机器人套材，而更多地考虑自己设计或改进。从机器人学习研究的角度，学生从简单拼装搭建的装配层面上升到了理论结合实际的研究层面，我们也看到了一些让我们欢欣鼓舞的自主研创新成果。当然在课程的进一步深入的过程中，机构设计还有许多新的知识，每一个知识点都能用于不同功能机器人的设计，我想在以后的机器人课程或者活动中我们要做的还有很多。

[1] 上海市机器人学会编.机器人ABC.上海市科学教育推广项目资料包

[2] 王中杰等.神奇的仿真技术. 上海市科学教育推广项目资料包

[3] 杨可桢等.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社,2006.

[4] 陈国华.机械机构及应用[M]. 北京：机械工业出版社,2008.

[5] 尹居中.机械设计实作计划—投球机构模拟分析.

[6] 导向科技编.AUTOCAD 2006基础[M]. 北京：人民邮电出版社,2006.

汪玥辉，上海大学附属中学科技总辅导员。