模塊化教學機器人平臺設計

林敏，黃學強，王勇，賴思琦（西南科技大學，四川綿陽621010）

模塊化教學機器人平臺設計

林敏，黃學強，王勇，賴思琦
（西南科技大學，四川綿陽621010）

模塊化是機器人設計的主要發(fā)展方向。建立了一個用于實踐教學的模塊機器人平臺，介紹了通用模塊庫中各個模塊的功能，以及在實驗中根據(jù)任務設計專用模塊，并使用3D打印技術(shù)完成專用模塊制作。實驗結(jié)果表明該平臺在機器人設計的實踐教學中取得了良好效果。

模塊化；機器人平臺；3D打印

模塊化作為機器人發(fā)展的重要方向，已經(jīng)應用到機器人的設計與研發(fā)中。模塊化機器人的特點是各機器人構(gòu)件具備通用性、重構(gòu)性，構(gòu)件之間具有統(tǒng)一的接口，可以根據(jù)用途進行組合，得到所需的機器人[1]?，F(xiàn)在，國內(nèi)外研發(fā)生產(chǎn)模塊機器人的公司有很多，但這些公司的產(chǎn)品大多價格昂貴，且并不完全符合機器人實踐教學的要求。因此，根據(jù)課程內(nèi)容和實驗需要，設計了一套模塊機器人實踐教學平臺，并通過實驗驗證了該平臺的教學效果。

1　模塊機器人平臺

組成模塊機器人平臺的機械模塊可分為通用模塊和專用模塊。通用模塊是一組具有不同形狀尺寸和功能特征的構(gòu)件，在使用時，可以根據(jù)所要完成的具體任務進行設計，選擇合適的構(gòu)件進行搭配，由于構(gòu)件之間的接口標準統(tǒng)一，因此，能夠像搭積木一樣，組合成所需要的機器人主體。通用模塊按照功能可分為連接件和傳動件，連接件為固定不動的構(gòu)件，如底座、支架等；傳動件為傳遞活動的構(gòu)件，如車輪、齒輪等，如圖1所示[2-3]。并且，這些通用模塊全部都制作了三維模型，可以先在計算機上進行機器人的設計，從而降低了制作機器人的難度和成本，給使用者帶來了便利。

圖1　機器人通用模塊

專用模塊則是在設計機器人時，要完成特定任務的關(guān)鍵功能件。由于要求機器人完成的任務千差萬別，很多情況下，機器人執(zhí)行端的關(guān)鍵功能件不可能使用標準、通用的模塊構(gòu)件。因此，這就需要根據(jù)任務定制相應的專用模塊。

除了機械模塊，機器人平臺還包括控制器、傳感器、執(zhí)行器等部件?？刂破饔蒀PU、電源、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入、舵機接口、通訊、發(fā)聲等部分組成，是一個通用小型機器人控制器。CPU采用ATmega128，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，并且用圖形化集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言編輯程序，開發(fā)較為簡單，對本科學生進行機器人實踐訓練十分有利；傳感器有紅外線接近、紅外線測距、聲音、溫度、碰撞等傳感器，種類豐富，能夠組成各種類型的機器人；執(zhí)行器是機器人的運動驅(qū)動部件，有直流電機、步進電機和微型舵機[4-5]。

2　模塊機器人實驗

模塊機器人實驗分為設計和制作組裝，兩個步驟。設計時，先使用UG軟件進行機器人三維模型的搭建，根據(jù)任務進行設計專用模塊，并進行機器人模型的運動仿真，檢查是否符合設計者的意圖，能夠完成預定任務；確定無誤后，使用3D打印技術(shù)制作專用模塊，將各個模塊組裝成機器人，并編寫程序，輸入控制器，并作相應的調(diào)試。由此，可使用模塊機器人平臺組裝出各種典型機器人產(chǎn)品。

（1）四自由度串聯(lián)機器人

四自由度串聯(lián)機器人如圖2所示，這是一種常見的工業(yè)機器人，在底座基礎上安裝連桿構(gòu)件、舵機組合而成，各個構(gòu)件之間使用銷軸和螺母連接。末端執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)任務，可選擇相應類型手抓，或用3D打印定制執(zhí)行機構(gòu)。

圖2　四自由度串聯(lián)機器人

（2）自主避障機器人

自主避障機器人如圖3所示，整個機器人可全方位轉(zhuǎn)向，機器人主體為一輛四輪小車，四個車輪為全驅(qū)動，每個車輪連接舵機作為轉(zhuǎn)向器。底板上安裝兩個紅外線傳感器，用于檢測障礙物。當傳感器檢測到前方有障礙物時，其輸出電平會發(fā)生變化，控制器按照程序設定采取相應的避障策略，從而使機器人作出相應動作，避開障礙物。

圖3　自主避障機器人

3　結(jié)束語

采取模塊化方式設計和制作機器人是機器人研發(fā)的主要發(fā)展方向，模塊機器人實踐教學平臺在學校機器人課程的應用，提高了教學水平和質(zhì)量，值得推廣。

［1］周雪峰，江勵，朱海飛，等.一個模塊化機器人平臺的設計［J］.華南理工大學學報：自然科學版，2011（4）：50-55，61.

［2］劉凱，杜玉紅.“能力風暴”機器人創(chuàng)新模塊在模擬加工中心的應用［J］.機電工程技術(shù)，2010（3）：97-98.

［3］張鐵.工業(yè)機器人及智能制造發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.機電工程技術(shù)，2014（4）：1-3.

［4］束建芳.基于SolidWorks的五自由度打磨機器人虛擬裝配設計［J］.機械工程師，2012（1）：22-23.

［5］李修元，杜玉紅.2V2足球機器人設計［J］.機電工程技術(shù)，2014（7）：82-84.

(編輯：阮毅)

The Modular Design of Teaching Robot Platform

LIN Min，HUANG Xue-qiang，WANG Yong，LAI Si-qi
（SouthwestUniversity of Science and Technology，Mianyang621010，China）

Modularity is themain development direction of the robot design.The establishment of amodule robot platform for practice teaching，introduced each module function of universalmodule library，as well as in the experiment design basing on task specific modules，and 3D printing technologywasused to complete the specificmodule production.Experimental resultsshow that the platform has achieved good results in practice teaching robotdesign.

modularity；robotplatform；3D printing

TP242

A

1009－9492(2015)06－0062－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.015

2015－03－09

林敏，男，1993年生，四川眉山人，大學本科。研究領(lǐng)域：機械設計、自動化控制。