机器助人

郭静远 王晨焕 应正浩 黄易单 洪天乐 张笑语 刘钰青

如今，社会正步入机器人时代，在浙江，“机器换人”的口号也越喊越响，连我们的家乡，一个小小的县城也有很多工厂、企业开始用机器人替换人工。

每逢节假日都会出现劳动力暂时短缺的现象，而机器人不用放假休息，效率很高，且不用付工资，只要用电“喂饱”它就可以了。于是，我们也想做一个能帮助人们搬运货物的机器人。

一、准备工作

1.制作材料

密度板、电线、光轴（有滑块）、步进电机、限位开关、指示灯、蜂鸣器、控制器、螺丝、螺母、自制电磁铁等。

2.使用工具

锉刀、老虎钳、榔头、螺丝刀、立式钻床、电烙铁、锯子等。

二、设计制作

机器人的框架以木材为主，由于三合板并不牢固，于是改用从废旧桌椅上拆下来的密度板，利用钉子将它们合理组合，并留下足够的发挥空间。

我们设计的机器人通过三个坐标系运作，所以三个坐标所在的木框必须相互垂直，一旦某个轴有偏差，该轴上电机移动的工作都将失去精准。

郭静远、应正浩和张笑语经过仔细测量后，用铅笔在木板上标出打孔点，并用立式钻床打孔。为防止打偏，先钻小孔，对准后快速旋转钻床右边的把手，使钻头快速下降并返回，尽量避免偏差。

考虑到如果就这样旋进螺丝，螺帽会凸出木板外，影响整体美观，所以用钥匙旋下小钻头，换上稍大一点的钻头打出沉孔。沉孔与打孔不同，只需把钻头对准小孔，接触后放松木板，钻头会自动调整以对准中心，沉孔沉到一定位置应立刻结束，避免打穿木板。

在指导老师的帮助下，我们终于做出了一个像模像样的机器人框架。接下来是电路的调试安装。

1.测试电机的线路连接

先将步进电机上的导线区分开，并用万能表的2个表棒分别接触8个彩色线头，通过观察万能表指针的转动，辨别电机内部的线路，为下一步的连接做准备。

要想机器人能完成搬运工作，还需给它安装一个能抓东西的执行装置，我们决定自制一个电磁铁。

虽然初中就已学过电磁铁，但自己制作还是第一次，得用极细的金属丝紧紧缠绕在卷轴上，还要保证它不断，非常麻烦。在大家的努力下，电磁铁终于完成了。

要让机器人动起来还需编程。初次接触PMC配置软件，我们对此一无所知，王晨焕同学抱着必胜的信念，在研究了厚厚的一沓资料后开始上手操作。几次修改和调试后，机器人终于能动起来了。

2.测试盒子的研究

最初我们想用白盒子内附一块铁皮进行测试，张笑语、童潇将金属夹拆开、锤平，并锯成小块铁皮，但粘上后效果不佳，且电磁铁吸引的位置有偏差。有同学提议用硬币尝试，又因盒子太重而失败。最后黄易单从家里带来一些金属盒，由刘钰青装饰后最终完成。

3.主要核心元件

①三轴联动PLC型运动制器PMC-20MT-3

PMC是可编程运动控制器，集成了PLC与运动控制器双重功能，而且编程方法简单。该控制器可控制三个电机运动，实现点位、连续、联动等功能，同时具有循环、跳转等功能，还能连接电脑软件，实现电脑模拟控制、软件分布调试、示教等功能，广泛应用于自动化控制行业。

使用前，需在电脑上安装PMC下载驱动程序。我们使用485数据线将PMC与电脑连接，打开设备管理器，找到端口后进入高级设置，更改次端口号，就可在已下载的程序上编程。机器人有了“灵魂”，就能完成指定的任务了。

②步進电机驱动器

步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行装置。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的。同时通过控制脉冲频率控制电机转动的速度和加速度，可达到调速和定位的目的。

步进电机驱动器采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使其步进转动。下图是步进电机工作原理示意图。

滚珠丝杠由螺杆、螺母等组成，它的功能是将旋转运动转化成直线运动，当滚珠丝杠作为主动体时，螺母随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。

三轴联动PLC型运动制器PMC-20MT-3采用研宏PMC专业配置软件编程，界面简洁，方便操作，新手入门快，能根据我们设计的动作编写控制逻辑和各种参数，让机器人完美地动起来。

步进电机驱动器TB6560的设置比较可行，通过查看使用手册，我们在电流设置、自动半流设置、细分设置、衰减设置等方面进行了各种组合的操作试验，终于找到合适的数据，并拨码设置好，使步进电机能安全有效地运行。

三、工作原理

本机器人采用直角坐标来定位，通过x，y，z三维坐标的移动，使机械手能到达三维空间的任意位置，从而使物体被搬运到三维空间的任意位置。

为保证这一点，我们采用硬软件相结合，硬件以木框为基础搭载x，y，z轴所需要的光轴、丝杆、步进电机组成的运动机构，以及位置配套的控制器、驱动器和电源。软件采用PMC运动控制卡软件，通过编程、485下载线程序下载到控制器，由它发出指令控制运行，使其有能力执行人的命令。（指导老师：汪文峰 程国祥江玲玲）