机器人设计及制作技术研究

陈兴　刘超平

【摘 要】随着科学技术的不断发展，机器人渐渐进入人们的生活中，众多的机器人种类，让很多人对机器人的设计及制作很迷茫，本文针对这种情况，综合各种资料并加入本人的理解及设计制作思路，讲了机器人设计时主要考虑的原则，又讲了设计的步骤及各种方案对比等步骤直至作出完整的机器人。

【关键词】机器人 机器人设计 机器人组装 舵机控制 技术研究

机器人的种类很多，按机械结构类型分有关节型机器人、球坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、直角坐标型机器人等；按用途分有焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、搬运机器人、装配机器人、切削加工机器人、喷漆机器人、检测机器人等；还可以按控制方式、机器人的功能水平等分类方式进行分类。众多的机器人种类，让很多人对机器人的设计很迷茫，即使看过很多相关书籍也不知从何着手，本文从机器人最基础的设计说起。

机器人设计主要考虑的原则：首先要能满足作业内容、工作空间、工作质量及定位精度等技术参数要求；时时考虑功能价格比，自由度多，价格昂贵。但是想设计一个全新的机器人，要从硬件和软件两方面考虑。

设计步骤如下：

1总体方案设计

以单片机作为核心控制器，控制18路舵机（以小型六足机器人为例）的快速平稳运行，实现机械结构的运动。

2电机选择方案论证

方案一：选用普通直流电机作为驱动源。优点是控制简单，缺点是需要外部功率放大电路，无法精确控制转动角度。

方案二：选用步进电机作为驱动源。是将固定脉冲信号转换为固定角位移的装置。优点是角度精确，缺点是同样需要借助外部功率放大电路发挥作用，且旋转角度为相对角度。

方案三：选用舵机作为驱动源。同样是将特定脉冲信号转换为固定角位移的装置，但是无需借助外部功率放大电路，且转动角度为绝对角度，因而广泛用作机器人的驱动源。

3单片机选型

普通舵机控制信号的分辨率大约5微秒，由于舵机的控制信号的周期为20毫秒，若采用定时器外部串断法产生控制信号，单片机至少应具有一个以上的16位定时器。同时，由于本次设计的机器人具有18个自由度，要对18路舵机进行调速操作，这就要求单片机应具有较快的运行速度处理比较复杂的数学、逻辑运算。传统复杂指令的8051单片机很难做到以上几点，而其它的比较高级的单片机（如AVR、MSP430、STM32等）大多可以做到。

4电源系统方案论证

普通舵机正常工作时的电压为3.6伏至6伏，工作电流为200毫安左右，若施加外部负载，电流将逐步增大，最大为500毫安左右。传统的稳压电路和移动电源均无法满足上述要求，需设计一种新型供电系统。

方案一：选用普通锂电池。普通充电锂电池的额定工作电流为 2安左右，若实现最大 9 安培电流的输出，需将几节电池并联使用。该 方案有诸多弊端：体积较大；使用时间较短；若工作的电池电压相差较大，将导致电池之间的充电与放电，效率将大大降低。

方案二：选用大功率开关电源。开关电源虽然能够满足舵机的功 率要求，但是由于需要将机器人系统与电源之间用导线连接，因而限制了机器人的活动空间。

方案三：选用大功率航模电池。航模锂电池的体积较小，可以方便地作为机器人的负载移动电源。大功率的航模锂电池可以输出几十安的电流，完全满足18路舵机的供电需求。另外，航模锂电池与上述方案相比，成本较低。

5稳压电路方案论证

方案一：选用普通稳压芯片。普通稳压芯片的输出电流为 1.5 安培至 3 安培，虽然可以通过大功率二极管的方式实现扩流效果，但如果完成最大 9 安培的电流输出，必须将几个稳压芯片并联使用，这样将导致稳压电路复杂化。

方案二：选用大功率整流桥降压。大功率整流桥降压的工作原理是单个二极管正向导通会产生 0.6V 的压降。由于整流桥导通时会有两个二极管正向导通，而已单个整流桥会产生 1.2V 左右的压降。航模锂电池的正常工作电压为 7.2V 至 8.4V，串联两个整流桥即可让电池工作电压满足舵机的正常工作电压。虽然该方案相对方案一电路简单，但是舵机的工作电压将从 6V 降低到 4.8V，由于舵机的工作扭矩与工作电压成正比，随着航模电池工作电压的下降，舵机承受负载的能力也将随之下降。

方案三：选用大功率稳压芯片。本次机器人供电系统的设计选用的是TI公司生产的大功率集成稳压芯片LMZ12010。该稳压芯片最大输出电压为6V，最大输出电流为10A，完全满足本次设计的要求，且工作电流比较简单。

6正式制造

（1）电脑上设计所要零件及其组合，并进行动画演示。（动手能力强的可省略）

（2）根据设计买来或作出相应零件。

（3）进行组装。组装的时候要根据条件进行一些顺序上的调整，将各个零件依据位置的不同分类，开始组装。可以先从腿部开始组装，然后将其他的部位拼接上去。在一些需要装舵机的地方，先装上舵盘，确定厚、薄舵盘的位置，切记不要装反，左右手、脚上的应该是对称装的。这样，我们设计的机器人硬件就可组装完成了。

软件编程要根据所选单片机种类时行编程。一开始可以先编写简单动作的流程图，实验无误后进行深一步的编程。可利用两个定时器中断控制 18路舵机，其中每个定时器控制9个舵机。先将将20ms的周期分解成8份，这样每个定时器就能控制8个舵机。由于机器人在执行每个动作时舵机的运行并非完全不一致，因而可将剩余的两个舵机与其它的舵机进行捆绑控制。由于机器人在运行的过程中，舵机运动的次数比较频繁，同时为了保证机器人动作的平滑性，需对舵机进行调速控制。可将预期PWM值12分解成若干PWM值，每个PWM值对应舵机一个角度，即让舵机从起始位置转动若干次后到达预期位置。由于舵机控制信号的周期为20ms，忽略舵机的实际转动时间，每产生一次预期PWM值，舵机将转动N次，将需要 20*Nms 的时间，如此可达到调速的目的。另外，为了进一步降低舵机的转速，可在定时器中断服务程序中设置中间变量控制定时器寄存器的赋值时间。

我国目前正从劳动密集型向现代化制造业方向发展，机器人自动化生产线的不断出现，不仅大大增强了企业竞争力，也给用户带来了显著效益，随着企业自动化水平的不断提高，机器人自动化生产线的市场肯定会越来越大，将逐渐成为自动化生产线的主要形式。如果考虑到我国整个制造业的需要，工业机器人市场则更加庞大。广泛采用工业机器人，不仅可以有效提高产品质量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本都具有十分重要的意义。希望我也为祖国的机器人发展贡献自己的一点微薄力……