機器人教學(xué)探究之機械入門——計算機輔助機械設(shè)計

上海大學(xué)附屬中學(xué) 汪玥輝

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機器人教學(xué)探究之機械入門——計算機輔助機械設(shè)計

上海大學(xué)附屬中學(xué) 汪玥輝

單馬達機器人是高中各項科技活動中常見的一種機械結(jié)構(gòu)，本專題內(nèi)容從機械原理出發(fā)針對其進行研究與改進，旨在引導(dǎo)學(xué)生在探究活動中掌握機器人機械設(shè)計的基本方法。

機構(gòu)設(shè)計 單馬達 四桿機構(gòu) 運動仿真 計算機輔助設(shè)計

1 課題背景

伴隨著全新的信息科學(xué)與技術(shù)發(fā)展和全球性的教育改革，國際青少年電腦機器人活動于20世紀90年代在一些發(fā)達國家青少年中逐步興起。近幾年來，機器人教育已經(jīng)在全國發(fā)達城市中小學(xué)中廣泛開展起來，并大有普及之勢。

2006年，我校申報寶山區(qū)區(qū)級課題《機器人步行模式的研究與設(shè)計》，期間在上海大學(xué)的指導(dǎo)和我?？萍冀處煹墓餐ο掠?009年順利結(jié)題，課題從高中教學(xué)層面探討了機器人機構(gòu)設(shè)計如何應(yīng)用于高中學(xué)段學(xué)生。

2 理論基礎(chǔ)

我們考慮從機器人的一個板塊出發(fā)，利用學(xué)生對機器人機械結(jié)構(gòu)的認識和研究開始逐步破解學(xué)生對機器人的神秘感，鍛煉學(xué)生的科研能力，引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)計出發(fā)，自己動手設(shè)計并制作機器人。從而讓學(xué)生能夠從中體驗較為完整的科研過程，使他們學(xué)到科學(xué)有效的思維方式，提高邏輯思維能力、規(guī)劃能力，提高分析問題和解決問題的能力。同時，在課程及活動中穿插結(jié)合專家講座以及實踐探索等一系列方式來了解智能機器人的發(fā)展和應(yīng)用狀況，并在組裝機器人的過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造能力。最終的目的是能為同學(xué)們開設(shè)一門能充分發(fā)揮創(chuàng)造力的創(chuàng)新課程，或者說向這個目標(biāo)做一些有益嘗試。

我們知道了一般機器人的設(shè)計可以分為三個部分：機械部分、電路部分和程序部分，而其中最為基礎(chǔ)的便是機械部分。高中最常見的機器人活動競賽就是單馬達的簡易機器人搭建了，通過不同的結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)跑步、爬桿、爬梯（圖1）等不同的動作。類似的比賽中經(jīng)常有一條規(guī)則是一定要使用曲柄連桿機構(gòu)，不得使用輪式，這就涉及到了一個基本的機構(gòu)學(xué)概念——機械傳動，具體的搭建方式雖然可以參照機器人的說明書，但如果能真正掌握其原理必然讓學(xué)生對機器人有更深一層次的認識。

圖1 各類單馬達機器人

有了這些理論基礎(chǔ)和想法，我們咨詢了上海大學(xué)機械工程系的專家，從可行性角度對本課題進行了論證，在肯定我們想法的同時專家還從技術(shù)角度解答了我們的一些疑問，提供了我們一些新的思路和手段。我們打算第一步就從機械板塊進行教學(xué)的深入探究，讓學(xué)生重新認識機械設(shè)計這一可能會被忽略的機器人最基礎(chǔ)的部分。

3 課程設(shè)計

遵循這樣一個切入點我們針對機械結(jié)構(gòu)部分為學(xué)生設(shè)計了以下的一系列學(xué)習(xí)課程，大致分為了這樣幾個階段：

3.1 觀察分析階段

一開始通過對機器人的搭建及觀察，學(xué)生接觸簡易單馬達機器人，從實際出發(fā)認識一個機器人完成整個運動過程的基本方式，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和合作精神，并使其掌握讀圖紙、零件裝配等一些基本工程技術(shù)素養(yǎng)。

3.2 理論學(xué)習(xí)階段

本環(huán)節(jié)通過對四桿機構(gòu)這樣一種常用的傳動方式的介紹，帶領(lǐng)同學(xué)從單純照搬圖紙過度到進行簡易機構(gòu)分析的層面。機器人制作課程實際是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)課程，須靈活運用各種學(xué)科的知識?，F(xiàn)在的高中課程中，學(xué)生們學(xué)了很多數(shù)學(xué)、物理、計算機方面知識和解題方法，但遇到實際問題往往就不會運用了。如本環(huán)節(jié)用到了很多他們學(xué)過的數(shù)學(xué)知識，既讓他們覺得設(shè)計并不是那么遙不可及從而失去信心和興趣，又讓他們在真實的情景中體驗學(xué)以致用的快樂，更好的提升他們學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識的熱情。

3.3 技術(shù)實踐階段

有了一定的理論基礎(chǔ)以后我們可以利用一系列的技術(shù)手段讓學(xué)生的所學(xué)得到鞏固提高，來一次理論聯(lián)系實際。受到了《神奇的仿真技術(shù)》課程的啟發(fā)，我們考慮借助計算機仿真這一手段。一方面機械結(jié)構(gòu)的實物的設(shè)計制作存在一定成本，另外計算機輔助設(shè)計作為一門新興學(xué)科也已經(jīng)登陸到了高中課堂（一些學(xué)校已經(jīng)開設(shè)了AUTOCAD、CAXA等課程）。經(jīng)過我們的幾次嘗試這一環(huán)節(jié)可以通過多種方式去實現(xiàn)，比如可結(jié)合數(shù)學(xué)計算利用VB的繪圖功能進行二維機構(gòu)仿真（圖2），再比如有一些現(xiàn)成的軟件（如working model 2D）可以實現(xiàn)類似真實模擬環(huán)境下的機構(gòu)仿真。最新的探究中我利用了上海市青少年活動中心組織的培訓(xùn)，掌握了工程設(shè)計領(lǐng)域的權(quán)威軟件ProE，其中即可實現(xiàn)三維模型的建模，又可模擬真實的三維運動（圖3），很好地為學(xué)生的自主探究提供的一種手段。

圖2 數(shù)學(xué)計算后實現(xiàn)的VB機構(gòu)學(xué)運動圖

圖3 三維機構(gòu)仿真搭建

3.4 創(chuàng)新實踐階段

在經(jīng)過了上述各階段的學(xué)習(xí)以后，學(xué)生對于機械結(jié)構(gòu)的認識可以說有了一個質(zhì)的飛躍，這為其以后參與到各項機器人的活動中打下了扎實的基礎(chǔ)。至少在機器人的機械部分，我們總結(jié)出了即使在是看似再簡單的機械結(jié)構(gòu)，也要經(jīng)歷結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動模擬、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造等環(huán)節(jié)。而且這個流程不是一蹴而就的，必將經(jīng)過反復(fù)的修改和測試，下面我們來看一個成功的例子。

4 具體案例

以下為第24屆英特爾上海市創(chuàng)新大賽我校機器人創(chuàng)意設(shè)計一等獎作品的論文節(jié)選，該論文中的學(xué)生就是在經(jīng)過了上述過程的學(xué)習(xí)后改進了一個步行機器人結(jié)構(gòu)，雖然在參賽過程中專家對于其在實用性方面還存在一定爭議，但評委們一致認為在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計這一部分，其科學(xué)性和新穎性已經(jīng)達到了一定高度。

論文改進了一個容易跌倒的雙足步行機器人結(jié)構(gòu)，通過模擬人行走的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)從結(jié)構(gòu)上進行了一定創(chuàng)新，基本達到了課題制定的目標(biāo)，下面是文章的部分節(jié)選，其分別對應(yīng)了我們上述提到的機器人機構(gòu)設(shè)計的幾個步驟。

4.1 有機構(gòu)的分析

我們仔細觀察暑假中制作的那個會“摔跤”的步行機器人，發(fā)現(xiàn)從機器人的結(jié)構(gòu)上看，有曲柄還有連桿，是一個四桿機構(gòu)。緊接著我們用直尺量出了模型的各部件尺寸并在運動模擬軟件——WORKING MODEL中對其運動過程進行了模擬，從而進一步分析其運動。

而在WORKING MODEL的運動模擬中（如圖4），我們發(fā)現(xiàn)原機器人的機械裝置并沒有人那樣的關(guān)節(jié)。從圖中能觀察到，由于沒有膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的屈伸活動，因此在行走過程中，當(dāng)從機械足跟著地到機械全足放平這一階段，前后的重心沒能很好地調(diào)整，系統(tǒng)重心會突然前傾，影響行走的平穩(wěn)性。機器人行走過程中前后重心不穩(wěn)的問題就出在這里。

圖4 改進前的機器人機構(gòu)簡圖在WORKING MODEL軟件中的樣子

4.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)分析，要是能設(shè)計一個能活動的且最好與地面始終保持水平的足問題便迎刃而解了。我們詢問了老師也在網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)機構(gòu)學(xué)書籍中查找了資料，了解到了有一種叫做平行四桿機構(gòu)的方式，如資料顯示，雙曲柄平行四桿機構(gòu)有四類，從外觀判斷其中a類應(yīng)該就是我們需要的方式。有了這個關(guān)鍵的機構(gòu)原理作支撐，我們開始了對原有機構(gòu)的改進。

從運動轉(zhuǎn)換角度分析，該裝置是單自由度的曲柄搖桿機構(gòu)，構(gòu)造和控制均相當(dāng)簡單。從支撐的角度分析，該裝置疊加了兩個平行四桿機構(gòu)，因而具備活動的膝關(guān)節(jié)和活動的踝關(guān)節(jié)，在行走過程中，裝置的機架部分始終與地面保持平行，能較平穩(wěn)地移動系統(tǒng)的重心位置，避免突然前傾的現(xiàn)象出現(xiàn)。這些都符合了我們之前機構(gòu)設(shè)計的需要（如圖5）。

圖5 在WORKING MODEL中改進后的機器人的運動模擬圖

4.3 計算機輔助設(shè)計（CAD）

接下來，我們在仿真軟件里測量了各個部件的尺寸，然后按照一定的比例縮放后得到實際的部件的尺寸。

在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)了各鉸接點的連接是一個很大的問題，簡易機器人里都是利用插銷來實現(xiàn)的，其優(yōu)點是成本低，但缺點很多如：容易磨損和脫落等。詢問了老師后，他建議我們使用軸承，并告知了我們軸承的一般裝配方式。

在設(shè)計時還要考慮大足的制作、馬達乃至以后傳感器等的安裝位置的預(yù)留、如何使整個機架的重心盡量降低以保證其穩(wěn)定性等問題。在老師的幫助下終于在CAD中完成了各個零件的設(shè)計，并將它們組裝成了模型（如圖6）。我們聯(lián)系了加工的地方利用雕刻機將基本的部件制作了出來，一些較為關(guān)鍵的部件老師幫我進行了挑選，比如馬達和齒輪，挑選了內(nèi)部應(yīng)用蝸桿的齒輪箱增大了扭矩，而且降低了噪音，齒輪的外掛設(shè)計也有效地防止了齒輪卡死（如圖7）。

圖6 模型設(shè)計圖

圖7 驅(qū)動部分設(shè)計圖

4.4 計算機輔助制造（CAM）

在雕刻機的幫助下，一個個由我們設(shè)計的機構(gòu)零件終于由電子文件變成了實物（如圖8）。經(jīng)過最后的拼裝搭建，我們自己設(shè)計的第一臺機器人終于出世（如圖9）。

圖8 機器人零件圖

圖9 模型實物圖

5 思考與小結(jié)

上述活動過程我們考慮可設(shè)計成一個系列的短課程，包含機器人制作、機構(gòu)學(xué)入門、計算機機械仿真、CAD模型設(shè)計等環(huán)節(jié)，涵蓋了當(dāng)前用于機械部分設(shè)計的比較主流的設(shè)計思路和手段方法。結(jié)合了數(shù)學(xué)、物理、計算機等多門學(xué)科的綜合知識，可以讓學(xué)生在運用自己的所學(xué)中不斷有新的發(fā)現(xiàn)，認識到各學(xué)科之間其實是相通的，很多我們學(xué)習(xí)的理論是為技術(shù)服務(wù)的。而在最后的模型制造環(huán)節(jié)之前的操作是將可行性較高的設(shè)計送去外部加工，以后學(xué)校如有條件可考慮采購一臺小型雕刻機，一些簡單設(shè)計可以直接完成CAM，學(xué)生的認識會更加直觀也可作為活動的一個高潮和小結(jié)部分。

我們的初衷是想通過對機器人機械部分的研究與設(shè)計，學(xué)生能不再局限于使用各公司的機器人套材，而更多地考慮自己設(shè)計或改進。從機器人學(xué)習(xí)研究的角度，學(xué)生從簡單拼裝搭建的裝配層面上升到了理論結(jié)合實際的研究層面，我們也看到了一些讓我們歡欣鼓舞的自主研創(chuàng)新成果。當(dāng)然在課程的進一步深入的過程中，機構(gòu)設(shè)計還有許多新的知識，每一個知識點都能用于不同功能機器人的設(shè)計，我想在以后的機器人課程或者活動中我們要做的還有很多。

[1] 上海市機器人學(xué)會編.機器人ABC.上海市科學(xué)教育推廣項目資料包

[2] 王中杰等.神奇的仿真技術(shù). 上海市科學(xué)教育推廣項目資料包

[3] 楊可楨等.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[4] 陳國華.機械機構(gòu)及應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008.

[5] 尹居中.機械設(shè)計實作計劃—投球機構(gòu)模擬分析.

[6] 導(dǎo)向科技編.AUTOCAD 2006基礎(chǔ)[M]. 北京：人民郵電出版社,2006.

汪玥輝，上海大學(xué)附屬中學(xué)科技總輔導(dǎo)員。