機器人設(shè)計及制作技術(shù)研究

陳興　劉超平

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人漸漸進入人們的生活中，眾多的機器人種類，讓很多人對機器人的設(shè)計及制作很迷茫，本文針對這種情況，綜合各種資料并加入本人的理解及設(shè)計制作思路，講了機器人設(shè)計時主要考慮的原則，又講了設(shè)計的步驟及各種方案對比等步驟直至作出完整的機器人。

【關(guān)鍵詞】機器人 機器人設(shè)計 機器人組裝 舵機控制 技術(shù)研究

機器人的種類很多，按機械結(jié)構(gòu)類型分有關(guān)節(jié)型機器人、球坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、直角坐標型機器人等；按用途分有焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、搬運機器人、裝配機器人、切削加工機器人、噴漆機器人、檢測機器人等；還可以按控制方式、機器人的功能水平等分類方式進行分類。眾多的機器人種類，讓很多人對機器人的設(shè)計很迷茫，即使看過很多相關(guān)書籍也不知從何著手，本文從機器人最基礎(chǔ)的設(shè)計說起。

機器人設(shè)計主要考慮的原則：首先要能滿足作業(yè)內(nèi)容、工作空間、工作質(zhì)量及定位精度等技術(shù)參數(shù)要求；時時考慮功能價格比，自由度多，價格昂貴。但是想設(shè)計一個全新的機器人，要從硬件和軟件兩方面考慮。

設(shè)計步驟如下：

1總體方案設(shè)計

以單片機作為核心控制器，控制18路舵機（以小型六足機器人為例）的快速平穩(wěn)運行，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的運動。

2電機選擇方案論證

方案一：選用普通直流電機作為驅(qū)動源。優(yōu)點是控制簡單，缺點是需要外部功率放大電路，無法精確控制轉(zhuǎn)動角度。

方案二：選用步進電機作為驅(qū)動源。是將固定脈沖信號轉(zhuǎn)換為固定角位移的裝置。優(yōu)點是角度精確，缺點是同樣需要借助外部功率放大電路發(fā)揮作用，且旋轉(zhuǎn)角度為相對角度。

方案三：選用舵機作為驅(qū)動源。同樣是將特定脈沖信號轉(zhuǎn)換為固定角位移的裝置，但是無需借助外部功率放大電路，且轉(zhuǎn)動角度為絕對角度，因而廣泛用作機器人的驅(qū)動源。

3單片機選型

普通舵機控制信號的分辨率大約5微秒，由于舵機的控制信號的周期為20毫秒，若采用定時器外部串斷法產(chǎn)生控制信號，單片機至少應(yīng)具有一個以上的16位定時器。同時，由于本次設(shè)計的機器人具有18個自由度，要對18路舵機進行調(diào)速操作，這就要求單片機應(yīng)具有較快的運行速度處理比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)、邏輯運算。傳統(tǒng)復(fù)雜指令的8051單片機很難做到以上幾點，而其它的比較高級的單片機（如AVR、MSP430、STM32等）大多可以做到。

4電源系統(tǒng)方案論證

普通舵機正常工作時的電壓為3.6伏至6伏，工作電流為200毫安左右，若施加外部負載，電流將逐步增大，最大為500毫安左右。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電路和移動電源均無法滿足上述要求，需設(shè)計一種新型供電系統(tǒng)。

方案一：選用普通鋰電池。普通充電鋰電池的額定工作電流為 2安左右，若實現(xiàn)最大 9 安培電流的輸出，需將幾節(jié)電池并聯(lián)使用。該 方案有諸多弊端：體積較大；使用時間較短；若工作的電池電壓相差較大，將導(dǎo)致電池之間的充電與放電，效率將大大降低。

方案二：選用大功率開關(guān)電源。開關(guān)電源雖然能夠滿足舵機的功 率要求，但是由于需要將機器人系統(tǒng)與電源之間用導(dǎo)線連接，因而限制了機器人的活動空間。

方案三：選用大功率航模電池。航模鋰電池的體積較小，可以方便地作為機器人的負載移動電源。大功率的航模鋰電池可以輸出幾十安的電流，完全滿足18路舵機的供電需求。另外，航模鋰電池與上述方案相比，成本較低。

5穩(wěn)壓電路方案論證

方案一：選用普通穩(wěn)壓芯片。普通穩(wěn)壓芯片的輸出電流為 1.5 安培至 3 安培，雖然可以通過大功率二極管的方式實現(xiàn)擴流效果，但如果完成最大 9 安培的電流輸出，必須將幾個穩(wěn)壓芯片并聯(lián)使用，這樣將導(dǎo)致穩(wěn)壓電路復(fù)雜化。

方案二：選用大功率整流橋降壓。大功率整流橋降壓的工作原理是單個二極管正向?qū)〞a(chǎn)生 0.6V 的壓降。由于整流橋?qū)〞r會有兩個二極管正向?qū)?，而已單個整流橋會產(chǎn)生 1.2V 左右的壓降。航模鋰電池的正常工作電壓為 7.2V 至 8.4V，串聯(lián)兩個整流橋即可讓電池工作電壓滿足舵機的正常工作電壓。雖然該方案相對方案一電路簡單，但是舵機的工作電壓將從 6V 降低到 4.8V，由于舵機的工作扭矩與工作電壓成正比，隨著航模電池工作電壓的下降，舵機承受負載的能力也將隨之下降。

方案三：選用大功率穩(wěn)壓芯片。本次機器人供電系統(tǒng)的設(shè)計選用的是TI公司生產(chǎn)的大功率集成穩(wěn)壓芯片LMZ12010。該穩(wěn)壓芯片最大輸出電壓為6V，最大輸出電流為10A，完全滿足本次設(shè)計的要求，且工作電流比較簡單。

6正式制造

（1）電腦上設(shè)計所要零件及其組合，并進行動畫演示。（動手能力強的可省略）

（2）根據(jù)設(shè)計買來或作出相應(yīng)零件。

（3）進行組裝。組裝的時候要根據(jù)條件進行一些順序上的調(diào)整，將各個零件依據(jù)位置的不同分類，開始組裝。可以先從腿部開始組裝，然后將其他的部位拼接上去。在一些需要裝舵機的地方，先裝上舵盤，確定厚、薄舵盤的位置，切記不要裝反，左右手、腳上的應(yīng)該是對稱裝的。這樣，我們設(shè)計的機器人硬件就可組裝完成了。

軟件編程要根據(jù)所選單片機種類時行編程。一開始可以先編寫簡單動作的流程圖，實驗無誤后進行深一步的編程。可利用兩個定時器中斷控制 18路舵機，其中每個定時器控制9個舵機。先將將20ms的周期分解成8份，這樣每個定時器就能控制8個舵機。由于機器人在執(zhí)行每個動作時舵機的運行并非完全不一致，因而可將剩余的兩個舵機與其它的舵機進行捆綁控制。由于機器人在運行的過程中，舵機運動的次數(shù)比較頻繁，同時為了保證機器人動作的平滑性，需對舵機進行調(diào)速控制?？蓪㈩A(yù)期PWM值12分解成若干PWM值，每個PWM值對應(yīng)舵機一個角度，即讓舵機從起始位置轉(zhuǎn)動若干次后到達預(yù)期位置。由于舵機控制信號的周期為20ms，忽略舵機的實際轉(zhuǎn)動時間，每產(chǎn)生一次預(yù)期PWM值，舵機將轉(zhuǎn)動N次，將需要 20*Nms 的時間，如此可達到調(diào)速的目的。另外，為了進一步降低舵機的轉(zhuǎn)速，可在定時器中斷服務(wù)程序中設(shè)置中間變量控制定時器寄存器的賦值時間。

我國目前正從勞動密集型向現(xiàn)代化制造業(yè)方向發(fā)展，機器人自動化生產(chǎn)線的不斷出現(xiàn)，不僅大大增強了企業(yè)競爭力，也給用戶帶來了顯著效益，隨著企業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人自動化生產(chǎn)線的市場肯定會越來越大，將逐漸成為自動化生產(chǎn)線的主要形式。如果考慮到我國整個制造業(yè)的需要，工業(yè)機器人市場則更加龐大。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且對保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本都具有十分重要的意義。希望我也為祖國的機器人發(fā)展貢獻自己的一點微薄力……