第一篇：第二課 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建技巧

第二課 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建技巧

課時(shí)一 樂(lè)高積木與搭建技巧

課時(shí)二 杠桿原理、齒輪傳動(dòng)原理

課時(shí)三 輪子與輪軸的使用、滑輪的使用

一、教學(xué)目標(biāo)：

1、知識(shí)與技能目標(biāo)：

使學(xué)生認(rèn)識(shí)了解樂(lè)高積木，常用積木的分類與使用；使學(xué)生掌握齒輪傳動(dòng)原理、杠桿原理、滑輪的使用、輪子與輪軸的使用；

2、過(guò)程與方法目標(biāo)：

教師講解，學(xué)生動(dòng)手操作，任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)；

3、情感態(tài)度與價(jià)值目標(biāo)：

培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，訓(xùn)練學(xué)生的觀察力與模仿力。

二、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

1、重點(diǎn)：齒輪傳動(dòng)原理、杠桿原理，滑輪、輪子與輪軸的使用；

2、難點(diǎn)：齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算。

三、課前準(zhǔn)備：

投影儀、教學(xué)課件、樂(lè)高9610/12/14/16機(jī)械結(jié)構(gòu)迷你套裝。課時(shí)一：樂(lè)高積木與搭建技巧

1、引題：

在上節(jié)課中，我們了解了機(jī)器人的概念及特征，并且動(dòng)手操作了MSC火星救援項(xiàng)目。我們的火星救援機(jī)器人是用樂(lè)高積木搭建的，在以后我們的學(xué)習(xí)中所使用的機(jī)器人都是用這種叫做樂(lè)高積木的積木塊搭建出來(lái)的。那么，我就來(lái)仔細(xì)的認(rèn)識(shí)一下樂(lè)高積木吧！

2、認(rèn)識(shí)樂(lè)高積木：

樂(lè)高積木最大的特點(diǎn)是樂(lè)高積木的凸點(diǎn)——我們稱之為樂(lè)高釘，它是一項(xiàng)世界專利。樂(lè)高積木雖然種類很多（大概有2000多種），但是它們之間都是可以相互通用的，可以任意組合。從技術(shù)方面說(shuō)，樂(lè)高積木的誤差在5微米一內(nèi)，所以樂(lè)高積木在搭建時(shí)其結(jié)構(gòu)非常緊密，不易松動(dòng)脫落；樂(lè)高積木自身的硬度、顏色的保鮮、耐磨損工藝也是非常突出的，在使用頻率比較高的學(xué)校里，樂(lè)高積木3年一內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)退色、變形等問(wèn)題；而且，樂(lè)高積木也經(jīng)過(guò)了無(wú)害化處理。

3、樂(lè)高積木的分類：

樂(lè)高積木主要分為梁、片（板）、塊（磚）、軸、銷、軸套、連接器、輪子、齒輪、皮帶與滑輪10大部分。（詳見(jiàn)課件）

4、基本搭建與搭建技巧：

（1）樂(lè)高積木的基本單位：（如圖）

1FLU（樂(lè)高單位）=0.8㎝ 6/5FLU=0.96㎝（2）一個(gè)梁的厚度正好等于三個(gè)板疊加起來(lái)的厚度

一層板的厚度=0.32㎝

（3）垂直方向上

計(jì)算： 6÷5+（2×2÷5）FLU=2FLU

5、總結(jié)：

（1）樂(lè)高積木的分類；（2）樂(lè)高積木的單位。

課時(shí)二：杠桿原理、齒輪傳動(dòng)原理

1、引題：

了解樂(lè)高積木的基本單位、搭建技巧和分類以后，我就用這些樂(lè)高積木學(xué)習(xí)一些簡(jiǎn)單的機(jī)械原理吧！

2、杠桿原理：

（1）杠桿的定義：一根環(huán)繞支點(diǎn)產(chǎn)生有效動(dòng)作的桿或者臂。（2）杠桿三要素：支點(diǎn)、力、力臂；（3）杠桿的分類：

A第一類杠桿是支點(diǎn)在力與負(fù)載之間的杠桿； 例如，蹺蹺板，而剪刀則是兩個(gè)一類杠桿結(jié)合使用的例子。B第二類杠桿是負(fù)載在力和支點(diǎn)之間的杠桿；

例如，手推車，而鉗子則是兩個(gè)二類杠桿結(jié)合使用的例子。C第三類杠桿是力在負(fù)載和支點(diǎn)之間的杠桿；

例如，釘書(shū)器、釣魚(yú)桿，鑷子則是兩個(gè)三類杠桿結(jié)合使用的例子。

3、動(dòng)手做活動(dòng)（杠桿系統(tǒng)的搭建）：

學(xué)生使用樂(lè)高9612迷你套裝，在教師指導(dǎo)下搭建杠桿系統(tǒng)。

4、齒輪傳動(dòng)原理：

（1）齒輪的定義：邊緣帶有鋸齒的輪子，是一種簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置。（2）樂(lè)高積木中常用齒輪的種類：

40齒正齒輪、24齒正齒輪、16齒正齒輪、8齒正齒輪、24齒冠齒輪、差速齒輪、蝸輪等。（3）齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：

A齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪數(shù)至少為兩個(gè)，相臨兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反； B你轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪稱為主動(dòng)輪，同時(shí)帶動(dòng)的齒輪稱為被動(dòng)輪； C齒輪加速系統(tǒng)：主動(dòng)輪的齒數(shù)大于被動(dòng)輪，例如一個(gè)40齒正齒輪帶動(dòng)一個(gè)8齒正齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其傳動(dòng)比為1：5；

D齒輪減速系統(tǒng)：主動(dòng)輪的齒數(shù)小于被動(dòng)輪，例如一個(gè)8齒正齒輪帶動(dòng)一個(gè)40齒正齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其傳動(dòng)比為5：1；

E惰輪系統(tǒng)：齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，位于主動(dòng)輪與被動(dòng)輪之間的傳動(dòng)齒輪，例如兩個(gè)40齒正齒輪中間夾著一個(gè)8齒正齒輪，中間8齒齒輪的作用是使與它相臨的齒輪改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。F齒輪鏈傳動(dòng)系統(tǒng)：同一根軸上的兩個(gè)尺寸不同的齒輪和其他齒輪傳動(dòng)連在一起，會(huì)增加齒輪加速或者減速的效果。

5、動(dòng)手做活動(dòng)（齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)）：

學(xué)生使用樂(lè)高9612迷你套裝，在教師指導(dǎo)下搭建齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。

6、總結(jié)：

（1）杠桿、齒輪在實(shí)際中的應(yīng)用；（2）齒輪傳動(dòng)比。

課程三：輪子與輪軸的使用、滑輪的使用

1、引題：

學(xué)習(xí)了杠桿原理、齒輪傳動(dòng)原理，下面我們?cè)賹W(xué)習(xí)一下輪子與輪軸的使用和滑輪的使用。

2、輪子與輪軸的使用：

（1）輪子的滾動(dòng)與滑動(dòng)的特點(diǎn)：

滾動(dòng)摩擦阻力?。ㄊ×Γ?、滑動(dòng)摩擦阻力大（費(fèi)力）（2）同軸輪與分軸輪的特點(diǎn)： 同軸輪轉(zhuǎn)彎費(fèi)力、分軸輪轉(zhuǎn)彎靈活。

3、動(dòng)手做活動(dòng)（搭建帶輪子的小車）：

學(xué)生使用樂(lè)高9612迷你套裝，在教師指導(dǎo)下搭建帶輪子的小車，了解輪子的使用特點(diǎn)。

4、滑輪的使用：

（1）滑輪的定義：滑輪是一種帶有凹槽的輪子，可以用來(lái)傳遞力；（2）滑輪的分類：

滑輪分為靜滑輪和動(dòng)滑輪兩種。

A靜滑輪只能改變力的方向，而不改變力的大??；

B動(dòng)滑輪可以改變里的大小和方向，但需要配合定滑輪使用；（3）滑輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：

A滑輪傳動(dòng)可以使用皮帶傳動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是可以隨意改變傳動(dòng)方向，缺點(diǎn)是皮帶容易打滑；

B滑輪與齒輪傳動(dòng)類似，也可以通過(guò)使用不同大小的齒輪來(lái)改變齒輪傳動(dòng)的速度；

5、動(dòng)手做活動(dòng)（滑輪的使用）：

學(xué)生使用樂(lè)高9612迷你套裝，在教師指導(dǎo)下搭建滑輪系統(tǒng)。

6、總結(jié)：

輪子與輪軸、滑輪在實(shí)際中的應(yīng)用；

第二篇：小學(xué)三年級(jí)上冊(cè)美術(shù)教案第二課 機(jī)器人

第二課 機(jī)器人

一、教學(xué)目標(biāo)

1、知識(shí)與技能

初步認(rèn)識(shí)機(jī)器人的外形、結(jié)構(gòu)、種類、功能、用途和特點(diǎn)，知道機(jī)器人與人有著密切的關(guān)系。

2、過(guò)程和方法

通過(guò)觀察探究、討論、拼擺、欣賞發(fā)現(xiàn)、自主創(chuàng)作等方法，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，在活動(dòng)中認(rèn)識(shí)機(jī)器人。

3、情感、態(tài)度和價(jià)值觀

啟發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)的熱情。

二、教學(xué)重點(diǎn)

了解機(jī)器人的外形、結(jié)構(gòu)、種類、功能、用途和特點(diǎn)，并用繪畫(huà)或制作的方式表現(xiàn)機(jī)器人的特征和活動(dòng)場(chǎng)面。

三、教學(xué)難點(diǎn)

繪畫(huà)創(chuàng)作中大膽想象，生動(dòng)地表現(xiàn)機(jī)器人的新型造型和實(shí)用功能。制作過(guò)程中合理選材，巧妙拼組，創(chuàng)新表現(xiàn)作品。

四、教學(xué)準(zhǔn)備

教師：錄像帶、機(jī)器人資料和教具、學(xué)生作業(yè)、繪畫(huà)工具和制作材料等。學(xué)生：機(jī)器人資料、繪畫(huà)工具、多種制作材料等。

五、課時(shí)安排：2課時(shí)

第一課時(shí)

一、教學(xué)目標(biāo)

1、知識(shí)與技能

初步認(rèn)識(shí)機(jī)器人的外形、結(jié)構(gòu)、種類、功能、用途和特點(diǎn)，知道機(jī)器人與人有著密切的關(guān)系。

2、過(guò)程和方法

通過(guò)觀察探究、討論、拼擺、欣賞發(fā)現(xiàn)、自主創(chuàng)作等方法，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，在活動(dòng)中認(rèn)識(shí)機(jī)器人。

3、情感、態(tài)度和價(jià)值觀 啟發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)的熱情。

二、教學(xué)重點(diǎn)

了解機(jī)器人的外形、結(jié)構(gòu)、種類、功能、用途和特點(diǎn)，并用繪畫(huà)或制作的方式表現(xiàn)機(jī)器人的特征和活動(dòng)場(chǎng)面。

三、教學(xué)難點(diǎn)

繪畫(huà)創(chuàng)作中大膽想象，生動(dòng)地表現(xiàn)機(jī)器人的新型造型和實(shí)用功能。制作過(guò)程中合理選材，巧妙拼組，創(chuàng)新表現(xiàn)作品。

四、教學(xué)準(zhǔn)備

教師：錄像帶、機(jī)器人資料和教具、學(xué)生作業(yè)、繪畫(huà)工具和制作材料等。學(xué)生：機(jī)器人資料、繪畫(huà)工具、多種制作材料等。

五、教學(xué)過(guò)程

（一）課件出示機(jī)器人圖片

看，今天誰(shuí)來(lái)到了我們的教室？

（二）講授新課

1、觀察探究機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征(書(shū)、圖片、網(wǎng)上下載資料、機(jī)器人模型??)

如：千里眼、舞者、大力神??

（1）機(jī)器人也叫“人”,它與我們?nèi)祟愐粯訂幔?相同之處？

也有頭、身體、上肢、下肢、具有和我們?nèi)祟愐粯拥纳眢w結(jié)構(gòu)，最主要的是機(jī)器人還和我們?nèi)祟愐匝栏鄷?huì)思考。（2）形狀多樣的機(jī)器人（3）功能多樣的機(jī)器人

如：機(jī)器人醫(yī)生、機(jī)器人廚師、機(jī)器人餐廳服務(wù)員、機(jī)器人保潔員、機(jī)器人樂(lè)手??

2、探究方法

（1）如果讓你設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，你想讓它幫人做什么? 看書(shū)中作品都采用了什么表現(xiàn)方法。

機(jī)器人快餐服務(wù)員，使用快餐盒制作的。

機(jī)器人郵遞員，它是用彩色圖釘組合的

機(jī)器人雪崩救援者，它是用衣服夾子組合的，而且每一處夾子都有特殊的功能。

（2）學(xué)生觀察視屏資料，學(xué)習(xí)制作方法。

第二課時(shí)

一、教學(xué)目標(biāo)

1、知識(shí)與技能

初步認(rèn)識(shí)機(jī)器人的外形、結(jié)構(gòu)、種類、功能、用途和特點(diǎn)，知道機(jī)器人與人有著密切的關(guān)系。并用繪畫(huà)和制作的方式設(shè)計(jì)機(jī)器人，表現(xiàn)機(jī)器人新型造型和實(shí)用功能。

2、過(guò)程和方法

通過(guò)觀察探究、討論、拼擺、欣賞發(fā)現(xiàn)、自主創(chuàng)作等方法，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，在活動(dòng)中認(rèn)識(shí)機(jī)器人。

3、情感、態(tài)度和價(jià)值觀

啟發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)的熱情。

二、教學(xué)重點(diǎn)

用繪畫(huà)或制作的方式表現(xiàn)機(jī)器人的特征和活動(dòng)場(chǎng)面。

三、教學(xué)難點(diǎn) 繪畫(huà)或制作創(chuàng)作中大膽想象，生動(dòng)地表現(xiàn)機(jī)器人的新型造型和實(shí)用功能。

四、教學(xué)準(zhǔn)備

教師：錄像帶、機(jī)器人資料和教具、學(xué)生作業(yè)、繪畫(huà)工具和制作材料等。學(xué)生：機(jī)器人資料、繪畫(huà)工具、多種制作材料等。

五、教學(xué)過(guò)程

1、按要求完成作業(yè)：

（1）用繪畫(huà)的方法表現(xiàn)一個(gè)機(jī)器人。（2）使用各種材料表現(xiàn)機(jī)器人，可以合作。

2、展示作品

比一比誰(shuí)的機(jī)器人本領(lǐng)大、外形美觀、色彩鮮艷。

3、學(xué)生評(píng)比：最漂亮的、最神奇的、最實(shí)用的??機(jī)器人。板書(shū)設(shè)計(jì)：

第二課 機(jī)器人

頭（五官）、身體、上肢、下肢、思維能力

形狀多樣 功能多種

教學(xué)反思：

《機(jī)器人》一課的主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解機(jī)器人的種類、功能、造型等相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)表現(xiàn)機(jī)器人的多種方法。啟發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造精神。通過(guò)本節(jié)課的講授，我覺(jué)得能夠達(dá)到預(yù)想的教學(xué)目的，學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中，能夠通過(guò)多媒體教學(xué)了解機(jī)器人，并且充分的調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。為了突出重點(diǎn)，解決教學(xué)難點(diǎn)，我在課前收集了大量關(guān)于機(jī)器人的圖片和資料。在介紹什么是機(jī)器人的時(shí)候給學(xué)生們播放了一段錄像片，使學(xué)生更加了解機(jī)器人；在介紹機(jī)器人的種類與功能時(shí)利用大量的圖片進(jìn)行說(shuō)明；結(jié)合生活中的機(jī)器人和繪畫(huà)作品中的機(jī)器人的造型來(lái)啟發(fā)學(xué)生的造型表現(xiàn)讓學(xué)生們了解機(jī)器人的造型不僅有人的形象，還有車型、動(dòng)物型、幾何體型等等。在這一環(huán)節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)的非常認(rèn)真而且感興趣，達(dá)到了預(yù)想的教學(xué)效果。

第三篇：四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述_-_副本

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

（）

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)、外四足步行機(jī)器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對(duì)四足步行機(jī)器人亟需解決的問(wèn)題進(jìn)行了論述，并對(duì)未來(lái)可能的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：四足步行機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；展望

1、引言

四足步行機(jī)器人是機(jī)器人家族的一個(gè)重要分支，其不僅承載能力強(qiáng)，而且容易適應(yīng)不平的地形。它既能使用靜態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)緩慢平滑地行走，又能以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)跑動(dòng)。與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，在崎嶇不平的路面，步行機(jī)器人具有獨(dú)特優(yōu)越性能，在這種背景下，步行機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來(lái)。而仿生四足步行機(jī)器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)：

（1）四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸地面，對(duì)環(huán)境的破環(huán)程度也較小，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，對(duì)崎嶇的地形的適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）四足步行機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，使運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體水平，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心位置，因此不易翻到，穩(wěn)定性更高。

（3）四足步行機(jī)器人身體與地面是分離的，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)還具有主動(dòng)隔振能力即允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足運(yùn)動(dòng)軌跡解耦，機(jī)器人的身體可以平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）機(jī)器人在不平地面和松軟路面上的運(yùn)動(dòng)速度較快，能耗較低。

2、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，四足步行機(jī)器人的研究工作開(kāi)始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研制工作進(jìn)入了廣泛開(kāi)展的階段。

世界上第一臺(tái)真正意義的四足步行機(jī)器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。該機(jī)器具有良好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是，該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定運(yùn)動(dòng)形式。

20世紀(jì)80，90年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本Shigeo Hirose實(shí)驗(yàn)室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功腳步裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。TITAN-VI機(jī)器人采用新型的直動(dòng)性腿機(jī)構(gòu)，避免了上樓梯過(guò)程中兩腿的干涉，并采用兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)腿的支撐相和擺動(dòng)相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2000-2003年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器人Tekken-IV，如圖1所示。它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤(pán)，陀螺儀，傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器。系統(tǒng)控制是由基于CPG的控制器通過(guò)反射機(jī)制來(lái)完成的。Tekken-IV能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。它的另一特點(diǎn)是利用了激光和CCD攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞快速行走。

目前最具代表性的四組步行機(jī)器人是美國(guó)Boston dynamics實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog，如圖2所示。它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG的重量，爬升可達(dá)35°的斜坡。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。

國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從20世紀(jì)80年代起步，取得一定成果的有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于1991年開(kāi)展了JTUWM系列四足步行機(jī)器人的研究。1996年該研究所研制成功了JTUWM-III，如圖3所示。該機(jī)器人采用開(kāi)式鏈腿機(jī)構(gòu)，每個(gè)腿有3個(gè)自由度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)線了對(duì)角動(dòng)態(tài)行走。但行走速度極慢，極限步速僅為1.7KM/h,另外其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。

清華大學(xué)所研制的一款四足步行機(jī)器人，它采用開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

3、國(guó)內(nèi)外的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）機(jī)械本體研究

四足步行機(jī)器人是機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)構(gòu)、步態(tài)、控制等，而機(jī)械機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在機(jī)械本體的設(shè)計(jì)中腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。目前，研制的四足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)形式主要有縮放型機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、平行桿機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)和緩沖型虛擬彈簧腿機(jī)構(gòu)。其中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多方位運(yùn)動(dòng)，且負(fù)載能力強(qiáng)，所以具有較好的應(yīng)用前景，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外，含有彈性元件的緩沖型虛擬彈簧腿機(jī)構(gòu)，利用彈性元件把剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，減緩機(jī)器人在動(dòng)態(tài)行走時(shí)的沖擊以及由此產(chǎn)生的振動(dòng)，因此該機(jī)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（2）步態(tài)研究

步行機(jī)器人幾種典型步態(tài)有：爬行、對(duì)角小跑、溜蹄、跳躍、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向等。在文獻(xiàn)[7]中，提出了爬步態(tài)的理論，并證明了該步態(tài)具有最大的靜穩(wěn)定性。對(duì)角小跑步態(tài)屬于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步態(tài)，能夠提高運(yùn)動(dòng)速度。跳躍式步態(tài)較其它步態(tài)在前進(jìn)的效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于受到腿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)慣性力和關(guān)節(jié)處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力。另外，跳躍持續(xù)的時(shí)間是短暫的，為了保證機(jī)器人實(shí)時(shí)可控，必然需要在極短的時(shí)間內(nèi)采集多種信號(hào)，這對(duì)目前的驅(qū)動(dòng)元件和傳感器都提出了極高的要求。目前所研究的各種步態(tài)中，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)問(wèn)題。

（3）控制技術(shù)研究

復(fù)雜四足步行機(jī)器人的控制系統(tǒng)是非線性的多輸入和多輸出不穩(wěn)定系統(tǒng)，四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

具有時(shí)變性和間歇?jiǎng)討B(tài)性。目前四足機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行單純的幾何位置規(guī)劃與控制，則會(huì)由于慣性、腳力失衡等因素而導(dǎo)致機(jī)器人失穩(wěn)。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵就是突破單一的位置規(guī)劃與控制策略，實(shí)施機(jī)器人力、位置混合控制。在步態(tài)生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發(fā)生器(CPG)原理的運(yùn)動(dòng)控制方法。

（4）驅(qū)動(dòng)能源研究

在線提供能源受到空間的限制，而蓄電池組受體積和重量的限制，因此尋求提供持續(xù)可靠的離線自帶電源就成了必須。隨著新型電池的研發(fā)，新型太陽(yáng)能電池、燃料電池、鋰電池等成為較為理想的能量供給來(lái)源。另外，通過(guò)微波對(duì)微型機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)也是一種較為可觀的方法。

4、存在的問(wèn)題

從20世紀(jì)60年代至今研究者們對(duì)四足步行機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的分析做了大量的工作，在一些基礎(chǔ)理論問(wèn)題上取得了一定的突破，使四足步行機(jī)器人的技術(shù)水平不斷得到提高。但在四足步行機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中仍有一些亟需解決的問(wèn)題：

（1）步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)問(wèn)題；（2）在不平地面移動(dòng)的速度、穩(wěn)定性問(wèn)題；（3）四足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃問(wèn)題；（4）步行機(jī)器人仿生控制方面的問(wèn)題；

（5）有些步行機(jī)器人的體積和質(zhì)量都很大問(wèn)題；（6）多數(shù)步行機(jī)器人研究平臺(tái)的承載力不強(qiáng)問(wèn)題；

5、展望

隨著對(duì)四足步行機(jī)器人的研究的日益深入和發(fā)展，四足步行機(jī)器人在速度、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和對(duì)地面的適應(yīng)能力等方面的性能都將不斷提高，自主化和智能化也將逐步的實(shí)現(xiàn)，從而使其能夠在更多特殊環(huán)境和場(chǎng)合中使用，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

縱覽當(dāng)前四足機(jī)器人的發(fā)展，四足步行機(jī)器人有以下幾個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)：

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

（1）實(shí)現(xiàn)腿機(jī)構(gòu)的高能，高效性；（2）輪，足運(yùn)動(dòng)相結(jié)合；（3）步行機(jī)器人微型化；

（4）增強(qiáng)四足步行機(jī)器人的負(fù)載能力；（5）機(jī)器人仿生的進(jìn)一步深化；

6、總結(jié)

盡管四足步行機(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，足式機(jī)器人的研究平臺(tái)有很多，但制約四足機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問(wèn)題并沒(méi)有得到根本的解決，其中，許多樣機(jī)還達(dá)不到生物簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的速度和穩(wěn)定性。正如著名機(jī)器人學(xué)家Geles教授所言：“步行機(jī)器人的理論研究步伐要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其技術(shù)開(kāi)發(fā)的步伐”?，F(xiàn)有的四足機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)研究尚不夠成熟和完善，足式機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)還有待于進(jìn)一步大力開(kāi)發(fā)。

7、參考文獻(xiàn)

[1] McGhee.R.B.Robot locomotion[A].In R.Herman, S.Grillner,P.Stein,and

D.Stuart, editors, al control of lNeurocomotion[C].Plenum Press.1976:237-264.[2] Shigeo.Hirose, Tomoyuki.Masui, Hidekazu.Kikuchi.TITAN-III: A Quadruped

Walking Vehicle-Its Structure and Basic Characteristics.Robotic

Research(2nd Int.Symp.).The MIT Press, 1985：325-331.[3] 王洪波，徐桂玲，胡星，張典范，張雄.四足并聯(lián)腿步行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)[J].燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室.秦皇島.066004.[4] 雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望 [M ].北京航空航天大學(xué) 汽車工程系.北京.100083.[5] 查選芳，張融甫.多足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào).1995.25(2).[6] 郭成，談士力，翁盛隆.微型爬壁機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2004.26(7).[7] 王吉岱，盧坤媛，徐淑芬，雷云云.四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及展望[M ].山

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院.青島.266510.[8] 陸學(xué)東.多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制.[M ].華中科技大學(xué)出版社.2006.2.[9] 宣奇波，張懷相，戴國(guó)駿.四足步行機(jī)器人穩(wěn)定性步態(tài)規(guī)劃.杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所.浙江 杭州 310018.[10] 朱學(xué)彪.液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).[M ].武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430081

第四篇：論文工業(yè)機(jī)器人抓取手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

工業(yè)機(jī)器人抓取手部結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 前言

1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介

幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說(shuō)中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開(kāi)始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械偶人。

到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。

工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝臵構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝臵，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。

1.2 世界機(jī)器人的發(fā)展

國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：

（1）.工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬(wàn)美元降至97年的6．5萬(wàn)美元。（2）.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。

（3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

（4）．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位臵、速度、加速度等傳感器 外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配臵技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。

（5）．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生臵身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。

（6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的?索杰納?機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。

（7）．機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出?虛擬軸機(jī)床?以來(lái)，這種新型裝臵已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。

1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。這是一種誤解。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開(kāi)發(fā)、海洋開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。

我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代?七五?科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)?七五?、?八五?科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，?一客戶，一次重新設(shè)計(jì)?，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在?863?計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在十五世紀(jì)后期立于世界先進(jìn)行列之中。手部結(jié)構(gòu) 2.1概述

手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。

2.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）

在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。

②手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角

兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位臵所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位

為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位臵，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。

④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度

手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。

⑤應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求

應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。3 腕部的結(jié)構(gòu) 3.1 概述

腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。

② 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。

③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位臵檢測(cè)、管線的布 臵以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。

另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。

3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式

本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±115°。腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.3 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算

驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩,手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝臵的摩擦阻力矩以及由 臂部的結(jié)構(gòu) 4.1 概述

臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位臵和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的

橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝臵的布臵、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求：

① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)臵導(dǎo)向裝臵，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。

③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

④ 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。

4.2 手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。

4.2.1 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)

這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。如圖5所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過(guò)連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮蟆⑿谐梯^長(zhǎng)的場(chǎng)合。

4.2.2 導(dǎo)向裝臵

液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝臵。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前采用的導(dǎo)向裝臵有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝臵，本機(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

雙導(dǎo)向桿配臵在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。

如圖6所示，對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個(gè)導(dǎo)向桿連接起來(lái)，支承架的兩側(cè)安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動(dòng)時(shí)，支承架上的滾動(dòng)軸承就在支承板3的支承面上滾動(dòng)。

4.2.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng)

當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時(shí)，活塞杠4做上下運(yùn)動(dòng)，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動(dòng)套筒3做升降運(yùn)動(dòng)。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實(shí)現(xiàn)。

4.5 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。

4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

手臂做水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算：

Pq = Fm + Fg(N)式中 Fm——各支承處的摩擦阻力；

Fg——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力，其大小可按下式估算： Fg = Wa(N)g 式中 W ——手臂伸縮部件的總重量（N）； 5.1 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過(guò)管道及一些控制調(diào)節(jié)裝臵等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動(dòng)著的壓力油的容積變化來(lái)傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動(dòng)。

5.2 液壓系統(tǒng)的組成

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。

② 液動(dòng)機(jī) 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)外工作部分。手臂做直線運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動(dòng)機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動(dòng)油缸）。

③ 控制調(diào)節(jié)裝臵 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動(dòng)。

5.3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路

機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡(jiǎn)，但是總不外乎 由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。

5.3.1 壓力控制回路 ① 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)臵溢流閥，用它來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。② 卸荷回路 在機(jī)械手各油缸不工作時(shí)，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。

③ 減壓回路 為了是機(jī)械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個(gè)減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。

④平衡與鎖緊回路 在機(jī)械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。

為了使機(jī)械手手臂在移動(dòng)過(guò)程中停止在任意位臵上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動(dòng)并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位臵鎖緊的回路。

⑤ 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護(hù)油泵。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)而做功。當(dāng)一旦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時(shí)間的聯(lián)系，從而起到保護(hù)油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時(shí)，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過(guò)油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。

5.3.2 速度控制回路

液壓機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來(lái)改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。

根據(jù)各油泵的運(yùn)動(dòng)速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠、調(diào)速范圍較大、價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動(dòng)時(shí)效率低，發(fā)熱大。采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時(shí)，負(fù)荷的變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化，因而使通過(guò)節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。

調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動(dòng)調(diào)整和穩(wěn)定所通過(guò)的流量，使油缸的運(yùn)動(dòng)速度不受負(fù)荷變化的影響，對(duì)速度的平穩(wěn)性要求高的場(chǎng)合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。

5.3.3 方向控制回路

在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動(dòng)性能好，換向時(shí)間短，接線簡(jiǎn)單，價(jià)廉，但是如吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。

5.4 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機(jī)械手動(dòng)作要求的有機(jī)聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。

繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布臵中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝臵，從而組成整個(gè)液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號(hào)，畫(huà)出液壓原理圖。

5.4.1 上料機(jī)械手的動(dòng)作順序

本液壓傳動(dòng)上料機(jī)械手主要是從一個(gè)地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機(jī)進(jìn)行加工。它的動(dòng)作順序是：待料（即起始位臵。手指閉合，待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→手指張開(kāi)→手指夾料→手臂上升→手臂縮回→立柱橫移→手腕回轉(zhuǎn)115°→拔定位銷→手臂回轉(zhuǎn)115° →插定位銷→手臂前伸→手臂中?！种杆砷_(kāi)→ 手指閉合→手臂縮回→手臂下降→手腕反轉(zhuǎn)（手腕復(fù)位）→拔定位銷→手臂反轉(zhuǎn)（機(jī)械手臂復(fù)位）→立柱回移（回到起始位臵）→待料（一個(gè)循環(huán)結(jié)束）卸荷。

上述動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)采用步進(jìn)選線器，其步進(jìn)動(dòng)作是在每一步動(dòng)作完成后，使行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)閉合或依據(jù)每一步動(dòng)作的預(yù)設(shè)停留時(shí)間，使時(shí)間繼電器動(dòng)作而發(fā)信，使步進(jìn)器順序?跳步?控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動(dòng)作（見(jiàn)電磁鐵動(dòng)作程序表）實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制。結(jié)束語(yǔ)

這次論文給了我們一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，使我們了解了設(shè)計(jì)工作的基本流程和設(shè)計(jì)的方法以及理念。

雖然我描述的只是個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人抓取手臂，但需要完成伸縮、升降、回轉(zhuǎn)、橫移等功能，對(duì)應(yīng)分別要對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，以及對(duì)油路及其部件的選擇、控制回路和電氣控制的設(shè)計(jì)。通過(guò)這些設(shè)計(jì)，使理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，鞏固和深化了所學(xué)過(guò)的專業(yè)理論知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我不斷探索、不斷學(xué)習(xí)和修改。

通過(guò)這次設(shè)計(jì)，大大的提高了我們的自主學(xué)習(xí)和認(rèn)真思考的能力，對(duì)學(xué)術(shù)態(tài)度的嚴(yán)謹(jǐn)性也有了很高的認(rèn)識(shí)。我相信在以后的學(xué)習(xí)和工作過(guò)程中，一定可以好好的解決問(wèn)題，提高自己的能力，較快地適應(yīng)工作和社會(huì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].華中科技大學(xué)出版社，2002 [2] 孫志禮、冷興聚、魏延剛等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].東北大學(xué)出版社，2003 [3] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [4] 丁繼斌.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）.高等教育出版社，2012 [5] 羅洪量.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M]（第二版）.高等教育出版社，1986 [6] 張建民.工業(yè)機(jī)器人[B][M].北京理工大學(xué)出版社，1992

第五篇：淺談FLL競(jìng)賽機(jī)器人的搭建及編程

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

淺談FLL競(jìng)賽機(jī)器人的搭建及編程

字?jǐn)?shù)：

作者: 單位：泰州技師學(xué)院地址：江蘇省泰州市龍軒路郵編：3412字

周洋

9號(hào) 225300

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

淺談FLL競(jìng)賽機(jī)器人的搭建及編程

摘要：在FLL機(jī)器人競(jìng)賽中，基礎(chǔ)小車的搭建是完成任務(wù)的基礎(chǔ)，完成任務(wù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有很大一部分因素取決于基礎(chǔ)小車的搭建，本文從驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、重心、傳感器、電機(jī)等幾個(gè)方面來(lái)探討基礎(chǔ)小車的搭建問(wèn)題以及闡述了在比賽中常用PID巡線技術(shù)。

關(guān)鍵詞：FLL、機(jī)器人、傳感器、搭建、PID、巡線

近十年，機(jī)器人競(jìng)賽越來(lái)越普及，種類也非常繁多，這些比賽對(duì)促進(jìn)青少年的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力有著很大的提升作用，與當(dāng)前所倡導(dǎo)的素質(zhì)教育不謀而合。許多大學(xué)目前也開(kāi)設(shè)了機(jī)器人專業(yè)，家長(zhǎng)的教育理念也有所更新，機(jī)器人教育也符合孩子們的天性，種種原因都使得機(jī)器人教育和機(jī)器人比賽蓬勃發(fā)展，一片欣欣向榮。其中FLL比賽是較為復(fù)雜，對(duì)青少年的能力考驗(yàn)要求比較高的一項(xiàng)比賽，在該項(xiàng)賽事中，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)搭建又是完成比賽中各項(xiàng)任務(wù)的基礎(chǔ)，本人近幾年多次指導(dǎo)學(xué)生參加江蘇省青少年機(jī)器人大賽獲得一等獎(jiǎng)，現(xiàn)將一些搭建和編程的經(jīng)驗(yàn)與大家分享，希望對(duì)參賽者能有所幫助。

一、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的要求

樂(lè)高器材中可以用作驅(qū)動(dòng)輪的輪子很多，有大、有小、有寬、有窄，在比賽中很多參賽隊(duì)都各有采用。這些輪子在走直線時(shí)是沒(méi)有什么誤差的，主要的誤差來(lái)自于拐彎，太寬的輪子由于場(chǎng)地不是絕對(duì)平整的，在拐彎的時(shí)候的中心點(diǎn)就沒(méi)法確認(rèn)，導(dǎo)致拐彎的誤差較大，所以應(yīng)選用較窄的輪子誤差較小。直徑大的輪子可以實(shí)現(xiàn)較快的速度，但同時(shí)慣性較大引起誤差；直徑較小的輪子速度較慢，但誤差較小。輪胎與周圍結(jié)構(gòu)件的距離要空開(kāi)2毫米以上的距離，防止輪胎與結(jié)構(gòu)件摩擦引起誤差。

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

從動(dòng)輪不宜選擇萬(wàn)向輪，因?yàn)槿f(wàn)向輪的在結(jié)構(gòu)上不夠穩(wěn)定，會(huì)引起轉(zhuǎn)向的誤差，可以選擇轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的普通輪轂在作為從動(dòng)輪。通常兩動(dòng)力輪之間的距離在15~18厘米左右，動(dòng)力輪與從動(dòng)輪的前后軸距在14~20厘米左右。

二、車體重心的要求

在垂直方向，為了車體的穩(wěn)定，整機(jī)的重心應(yīng)該盡量靠下，在樂(lè)高所有的器件中控制器(包括電池)和電機(jī)的重量是比較大的，所以這些零件應(yīng)該裝在較低的位置。在水平方向，整機(jī)的重心應(yīng)該離驅(qū)動(dòng)輪較近，離從動(dòng)輪較遠(yuǎn)，兩者的距離大約為1:2。如果重心離驅(qū)動(dòng)輪較遠(yuǎn)，那么驅(qū)動(dòng)輪就有可能會(huì)打滑，引起比較大的誤差；如果重心離驅(qū)動(dòng)輪太近甚至就落在驅(qū)動(dòng)輪上，那么在行進(jìn)的過(guò)程的慣性就會(huì)引起車輛的點(diǎn)頭和抬頭，從而引起誤差。

三、傳感器的使用

樂(lè)高提供的傳感器種類很多，但能夠在FLL比賽中發(fā)揮作用的卻很少。光電（顏色）傳感器在比賽中使用頻率較高而且是必不可少一個(gè)傳感器，可以用單光電來(lái)巡線定位，常用的定位算法是PID算法，但在實(shí)際比賽中往往只要用到P算法就可以達(dá)到要求?？梢杂秒p光電來(lái)進(jìn)行垂直定位，在車輛的左右水平位置各安裝一個(gè)光電傳感器，左側(cè)的傳感器控制左輪，右側(cè)的傳感器控制右輪，左側(cè)的傳感器檢測(cè)到黑線左輪就后退，檢測(cè)到白色左輪就前進(jìn)，右側(cè)也是一樣，這樣就可以達(dá)到與黑線垂直對(duì)齊的目的。可以用單光電光電巡線+光電定位，一個(gè)光電傳感器負(fù)責(zé)巡線，另一個(gè)光電傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)旁邊垂直的黑線，一但檢測(cè)到黑線，機(jī)器就可以進(jìn)行下一步動(dòng)作，例如停下來(lái)完成任務(wù)等。

角度傳感器也使用得比較多。它是集成在電機(jī)內(nèi)部的，用來(lái)反饋

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，是非常重要的控制電機(jī)的手段。

超聲波傳感器可以用在對(duì)精度要求不是很高的任務(wù)上，因?yàn)樾≤嚽斑M(jìn)的速度和超聲波本身都會(huì)對(duì)距離的判斷帶來(lái)誤差，使用的距離也應(yīng)該控制在4~12厘米左右，太近或太遠(yuǎn)都會(huì)有較大的誤差。

觸碰傳感器可以用在啟動(dòng)機(jī)器和靠墻對(duì)齊時(shí)使用?？梢岳冒匆幌掠|碰傳感器來(lái)啟動(dòng)機(jī)器或是在比賽過(guò)程中再次啟動(dòng)機(jī)器。靠墻對(duì)齊就要求在機(jī)器的最后面的水平對(duì)稱位置安裝兩個(gè)觸碰傳感器，一但兩個(gè)傳感器同時(shí)被按下就說(shuō)明對(duì)齊成功，可以進(jìn)行下一步動(dòng)作。

至于陀螺儀、聲音傳感器、溫度傳感器在FLL比賽中都不適合使用。

四、車身形狀的要求

首先整個(gè)車體的結(jié)構(gòu)要非常穩(wěn)固和結(jié)實(shí)，不能再比賽中有零件松脫的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)不穩(wěn)固會(huì)在行進(jìn)中引起跟距離成正比的誤差。如有零件松脫了，裁判會(huì)進(jìn)行判罰。第二，車輛的前后左右最好使用圓弧或倒角的結(jié)構(gòu)，不要使用直角，這樣在車體拐彎的時(shí)候可以減少碰到模型或墻壁的概率。第三，車體后面做成一個(gè)平面或在左右兩邊做出兩個(gè)凸起，用來(lái)進(jìn)行靠墻對(duì)齊。第四，如果需要安裝導(dǎo)向輪，那導(dǎo)向輪的位置一定要在驅(qū)動(dòng)輪的前面，不要超過(guò)墻壁的高度。第五，車輛的四周要平滑，要留下固定點(diǎn)。這樣就可以方便地安裝和拆除策略物。

五、控制器和連接線的要求

控制器最好是橫放在車輛上，否則重心不太容易控制。控制器的下載口的空間要預(yù)留出來(lái)，否則無(wú)法下載程序。控制器要方便拆卸，這樣可以方便更換電池和充電。連接線要盡量藏到車輛里面去，千萬(wàn)不能鼓在旁邊，更不能碰到傳動(dòng)部件，這樣會(huì)嚴(yán)重影響任務(wù)的執(zhí)行。

六、電機(jī)的選擇要求

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

目前主流的電機(jī)主要是NXT電機(jī)和EV3電機(jī)，在實(shí)際使用中EV3電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的誤差要比NXT電機(jī)要大，所以我們通常使用NXT電機(jī)。電機(jī)要挑選兩個(gè)最為接近的電機(jī)，在挑選時(shí)可用一根軸連接兩個(gè)電機(jī)，然后讓兩個(gè)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)比較平順，沒(méi)有跳動(dòng)的即可作為一對(duì)電機(jī)來(lái)使用。

七、巡線算法

巡線是FLL競(jìng)賽中一項(xiàng)非常重要的支撐技能。有了它機(jī)器人就能在場(chǎng)地上準(zhǔn)確定位，完成任務(wù)；有了它機(jī)器人就能充分利用場(chǎng)地上的線路，提高速度和準(zhǔn)確性。在一般的教材中提到的往往是由傳感器判斷黑白位置，控制器控制左右輪交替前進(jìn)的方式，該方式車體擺動(dòng)較大，定位的精度不夠，所以在比賽中失誤較多。為了能夠達(dá)到比賽精度，我們往往采用的是PID算法巡線。

1、PID巡線的P算法

有了穩(wěn)定的好的車體，下面就欠缺好的算法了。機(jī)器人在巡線的時(shí)候巡的是黑白的交界線，用我們的肉眼看這條分界線是黑白分明，黑色的光線暗而白色的光線亮。實(shí)際上光線不論從暗到明還是從明到暗都不是跳躍的而是線型變化的。我們利用這個(gè)線型的變化值來(lái)確定機(jī)器人的位置，來(lái)確定驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的功率，從而修正位置。

通常我們用于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)都習(xí)慣是B和C（因?yàn)槌绦蚰J(rèn)B和C），依照前進(jìn)的方向，左側(cè)的為B電機(jī)，右側(cè)的為C電機(jī)。假定黑色路線的平均光線值為5，白色部分的光線值為55，那么平均值30我們就可以看成是黑白分界線的值，換句話說(shuō)就是傳感器測(cè)出的值為30，那么我們就確定傳感器的位置在分界線上，值越小就越靠近黑線里面，值越大離黑線就越遠(yuǎn)。我們以巡右側(cè)的分界線為例來(lái)說(shuō)明一下算法。首先由傳感器測(cè)出當(dāng)前的光線值，然后用平均值減去當(dāng)前光線值，若

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

差是正值則說(shuō)明偏黑線部分，這時(shí)B電機(jī)應(yīng)該功率大，C電機(jī)應(yīng)該功率小甚至是負(fù)值。用該差值乘以一個(gè)0到1的系數(shù)（該系數(shù)由光電跟驅(qū)動(dòng)輪的距離和驅(qū)動(dòng)輪的大小決定），得到一個(gè)新數(shù)值，用該新數(shù)值加上一個(gè)基礎(chǔ)功率（該功率越大前進(jìn)越快，車輛越不穩(wěn)定，反之亦然）就得到B電機(jī)的功率；用基礎(chǔ)功率減去該新數(shù)值就得到C電機(jī)的功率，這樣就實(shí)現(xiàn)了調(diào)整機(jī)器人位置的目的。這里的關(guān)鍵就是根據(jù)需要找好系數(shù)和基礎(chǔ)功率，這兩個(gè)值直接決定了巡線的速度和穩(wěn)定性，而這兩點(diǎn)往往是矛盾的，所以要找好平衡點(diǎn)。

2、PID巡線的I算法

以上的P算法對(duì)于一些比較平滑的線路已經(jīng)能夠做到比較好的巡線精度了，但對(duì)于彎曲度比較大的曲線或是急拐彎就顯得不夠了，那就要加入I算法。每次計(jì)算出當(dāng)前光線值和平均值的誤差后，將這個(gè)誤差存到一個(gè)變量中，那么就會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)公式：變量=變量+誤差，如果線路比較平滑，那么誤差有正、有負(fù)，所以大部分的誤差是可以抵消的，變量趨近于零。但對(duì)于曲度較大的線路，引入該算法后就可以修正誤差，我們最終希望變量趨近于零，得到較為平順的行進(jìn)線路。具體做法是我們將累累積的誤差，也就是這個(gè)變量加到B和C電機(jī)的基礎(chǔ)功率里，還是以巡右側(cè)線為例，基礎(chǔ)功率加上變量賦給B電機(jī)；基礎(chǔ)功率減去變量賦給C電機(jī)即可。

3、PID巡線的D算法

前面的P算法用于修正當(dāng)前的誤差；算法用于修正累積的過(guò)去的誤差。D算法就是用于預(yù)測(cè)未來(lái)的誤差給予修正。假定誤差的下一個(gè)變化與當(dāng)前最后一個(gè)變化是相同的，我們據(jù)此來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)。這個(gè)意思是說(shuō)，下一個(gè)誤差的期望值是：修正量=當(dāng)前誤差+前兩次傳感器采樣誤差的變化量。

2016江蘇省計(jì)算機(jī)教學(xué)年會(huì)

以上是在近幾年的比賽中對(duì)于基礎(chǔ)小車搭建的一些心得和FLL比賽中使用的PID算法的基本原理，希望對(duì)大家能有所幫助。

[1] 肖建編.ASP.NET 編程實(shí)例與技巧集粹.北京：北京希望電子出版社，2003.[2] 巴茲拉等.ASP.NET 安全性高級(jí)編程.北京：清華大學(xué)出版社，2003.[3] Jesse Libert.Programming C#中文版.電子工業(yè)出版社，2006.[4] 米切爾的等編著.ASP.NET 權(quán)威指南.北京：中國(guó)電力出版社，2003.[5] 曾登高編著..NET 系統(tǒng)架構(gòu)與開(kāi)發(fā).北京：電子工業(yè)出版社，2003.