【文章內(nèi)容簡介】 機器人技術(shù)、提高學生的科技素質(zhì) 。 機器人研究發(fā)展現(xiàn)狀 目前體操機器人的研究主要有欠驅(qū)動單杠體操機器人的研究，國外很多 采用 Acrobot的欠驅(qū)動兩桿體操機器人模型 。 Acrobot 是一種具有 2 自由度和 1 主動關(guān)節(jié)的二連桿機器人，它能簡單 粗略 的模擬體操運動員在單桿上的 擺起、倒立、大回環(huán)等 動作。 國內(nèi)主要為各種類型的復雜人形機 器人的研究，可以實現(xiàn)體操 動作。各大高校通過各類機器人比賽來展示自己的研究成果，同時交流技術(shù)，促進體操機器人的發(fā)展。 在國外，制造業(yè)機器人取得了輝煌的發(fā)展，在工業(yè)界里得到了普遍應(yīng)用并廣受好評，因此形成了許多有著非常影響力的企業(yè)。如德國的庫卡、奧地利的威猛、瑞士的 ABB、日本的安川和車樂美等。這方面的權(quán)威人士說，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機產(chǎn)業(yè)之后又一個重大的，新興的高科技產(chǎn)業(yè)，并一定會像汽車、計算機一樣普及大眾。但是目前無論在生產(chǎn)、使用還是出口方面，日本始終占據(jù)著第一位，當今日本具備擁有一百三十多家專業(yè)的機器人 研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的能力，并且這些機器人強國發(fā)展的勢頭依然沒有減弱。 我國機器人行業(yè)起步較晚，與那些機器人發(fā)展大國的差距還是較大的。二十世紀七十年代國家才開始有自己的機器人工業(yè)，七五期間我國政府開始扶植機器人行業(yè)，實現(xiàn)了自己國家的工業(yè)機器人的整套技術(shù)的發(fā)展目標，出現(xiàn)了許多類型的機器人，比如：爬坡、噴涂、電焊等。近年，國家在制造業(yè)的機器人和機器人機械化生產(chǎn)線以及與機器人相關(guān)的工程項目、還有與其附加產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達到了五億元。體操機器人在機器人領(lǐng)域 第 2 頁 是重要的一部分，黨和政府在體操機器人方向加大了發(fā)展力度。每年，國內(nèi)舉辦很 多相關(guān)競賽來促進國內(nèi)高校對體操機器人的研究和發(fā)展，如 FIRA 和 RoboCup 等。這些比賽帶給每個人的不只是個人、學校的榮譽，更是代表著中國對機器人的喜愛，代表著中國年輕一代對機器人行業(yè)的發(fā)展與期望。但是我國體操機器人還是存在著一些問題，比如：1）體操機器人設(shè)計及開發(fā)隨著經(jīng)濟及科技的發(fā)展，這些年來得到了巨大發(fā)展，但機器人設(shè)計還是停留在簡單的加工和調(diào)試上，真正的智能控制沒能充分融入其中。 2）我國基礎(chǔ)零部件制造能力差。即使目前來說國家在有機器人有關(guān)的零部件方面有了一些的基礎(chǔ)，卻不管從質(zhì)量、類型，還是效率等方面都與 那些老牌機器人生產(chǎn)國有著明顯的實力懸殊，影響了我國機器人的價格競爭力。 3） 中國的機器人還沒有屬于自己品牌的體操機器人，雖然好多高校正在研究體操機器人，但沒有推廣到市場，不能把機器人應(yīng)用到社會上去。4） 國家對于機器人的政策雖然有一些但是和國外相比還是有一些差距，機器人競賽相對而言還是太少，以至于不能激發(fā)出人們學習機器人計數(shù)的熱情。 比賽 相關(guān) 內(nèi)容 及分析 根據(jù)比賽任務(wù)的要求， 機器人不僅要完成競技體操機器規(guī)定動作，同時還要自編有創(chuàng)意、有舞美效果的動作。因此本款機器人以原有體操機器人為模板，在保證能完成準備動作、翻滾動作、俯臥撐、側(cè)翻動作、倒立動作、自編動作等規(guī)定動作的基礎(chǔ)上， 增加 兩臺類 人機器人，重新設(shè)計其整體尺寸并改進部分機械結(jié)構(gòu)件，以適應(yīng)自主設(shè)計的其他創(chuàng)意動作，滿足創(chuàng)新創(chuàng)意及良好的觀賞性的需要。 除了要滿足比賽動作要求，本款機器人的重難點在于機器人動作的流暢性，以及各機器人間地協(xié)調(diào)配合。初步考慮通過調(diào)試控制程序中動作持續(xù)時間，改進代碼運行算法等方法，以較好地實現(xiàn)各機器人動作之 間 的同步，從而使其具有良 好的觀賞性。另外，本款機器人要具有新奇的外觀，突破性的創(chuàng)意動作 等，從而完全滿足比賽創(chuàng)新創(chuàng)意的要求，達到預定目標。 2. 系統(tǒng)整體設(shè)計 競技體操 機器人機械部分材料 分析 本次參賽的 競技體操 機器人機械部分主要有手臂、軀干和雙腿。這些部分可以用的材料目前主要有金屬、木材、塑料和復合材料?，F(xiàn)在大部分機器人制作的材料是金屬，因為金屬具有良好的硬度、好看的色澤并且不易磨損。在有專業(yè)加工工具時，金屬材料也比較容易加工。目前用于制作機器人的金屬材料主要鋁合金和各種碳鋼 [8]。因為它們具有足夠的強度和硬度，滿 足大部分機器人的強度要求。鋁合金是機器人制作最常用的材料，它質(zhì)量輕，有足夠的強度且易于加工。其中 5052 鋁板是目前應(yīng)用最廣泛的防銹鋁，它屬于 AlMg 合金鋁板。這種合金鋁板的強度高，在加入鎂元素時能夠增強鋁板的抗腐蝕性和強度并且可塑性好以及良好的焊接性。 在制作機器人中，木材有時也會大量被利用。主要因為木材相對于金屬和 塑料的質(zhì)地要輕，不易發(fā)生彎曲，而且割斷和加工都比較容易。當制作機器人支柱類零部件時，木質(zhì)材料比金屬材料更便于組裝，因此木材更適合于制作輕型機器人。除此之外由于干 第 3 頁 燥的木材不導電的性質(zhì)，可以很好地 避免由于機身而引起電路的短路或者機身漏電等。雖然由金屬制造的機器人給人的感覺更像機器人，但是用木材來制作機器人也是一個不錯的選擇。 塑料也是制作機器人經(jīng)常被采用的材料，相比金屬材料它的優(yōu)勢就是便于加工，可以很容易制作出復雜的零件。但是它的缺點也很明確，就是硬度比較低。目前常用的塑料主要有 ABS、 PVC、尼龍以及有機玻璃等。 ABS 是五大合成樹脂之一，其用途十分廣泛，它具有很好的抗沖擊性、耐熱性和耐腐蝕性等優(yōu)良特點，并且易于加工、零件尺寸穩(wěn)定、好的表面光澤性等特點。它還可以在表面進行噴鍍金屬、粘接和焊接等二次加 工。由于這些優(yōu)良特點，這種材料被廣泛用于機械、汽車、電子電器 和 建筑等許多工業(yè)領(lǐng)域。PVC 的主要成分是聚氯乙烯。它的特性是不易燃燒、具有高強度、不易因溫度而發(fā)生尺寸變化等特點。 PVC 有兩類，即軟 PVC 和硬 PVC。其中軟 PVC 由于添加了柔軟劑，容易變脆且不易保存，所以應(yīng)用范圍不廣。硬 PVC 不含柔軟劑，所以具有良好的韌性、容易成型、不易變脆以及保存時間長等特點，它的應(yīng)用開發(fā)很有價值。尼龍是一種高分子化合物，具有很高的機械強度、耐高溫、表面摩擦系數(shù)低、軟化點高、耐腐蝕、電絕緣性好以及五毒無臭等優(yōu)良特點，但是吸水性打 ，從而影響尺寸穩(wěn)定性和電性能。該材料常被用于制作成梳子、牙刷盒扇骨等。有機玻璃也叫亞克力，它的化學名稱是聚甲基丙烯酸甲酯，它具有較大的強度、質(zhì)量輕、表面光滑、耐化學品腐蝕以及絕緣性好等特點。 考慮到各個材料各方面的性能，該 競技體操 機器人機身材料主要是使用的是 5052鋁合金，它強度高，易加工，能夠滿足要求。下表 21 是 5052 鋁合金的參數(shù)： 表 21 鋁合金參數(shù) 化學成分 鋁 Al 硅 Si 銅 Cu 鎂 Mg 鋅 Zn 錳 Mn 鉻 Cr 鐵 Fe 余量 ～ ～ 力學性能 抗拉強度（ σb） 條件屈服強度 彈性模量（ E） 退火溫度 170～ 305MPa ≥65MPa ～ 345℃ 動力元件 分析 動力元件顧名思義就是為機器人提供動力的元件， 競技體操 機器人之所以能完成各個 競技體操 動作，都是由它身體中各個運動部位的動力源（驅(qū)動電機）提供動力的。該競技體操 機器人只是通過 轉(zhuǎn)動副 完成各個動作，因此只需要電動機作為動力源就能滿足要求。目前被用作機器人的動力源常用電機有三類，即直流電機、舵機和步進電機。它們具有各自的優(yōu)點和缺點。其中直流電機耗能較低，提供的力矩大，常用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中；舵機控制精度準確但產(chǎn)生的力矩小，可用于開環(huán)系統(tǒng)；步進電機的控制精度精確，可是功耗較大并且力矩相對于其他種類電機較小，常用于開環(huán)控制系統(tǒng) [9]。下表 22 為這三種電機特點的對比： 表 22 不同類型電機特種比較表 電機類型 優(yōu)點 不足 應(yīng)用范圍 直流電機 市場上廣泛存在，種類多，功率大，力矩大，連接電路簡單 轉(zhuǎn)速太快，一般需要配有減速裝置，電流比較大，控制復雜（ PWM） ,價格較貴 用于比較大的機器人 第 4 頁 舵機