模块化教学机器人平台设计

林敏，黄学强，王勇，赖思琦（西南科技大学，四川绵阳621010）

模块化教学机器人平台设计

林敏，黄学强，王勇，赖思琦
（西南科技大学，四川绵阳621010）

模块化是机器人设计的主要发展方向。建立了一个用于实践教学的模块机器人平台，介绍了通用模块库中各个模块的功能，以及在实验中根据任务设计专用模块，并使用3D打印技术完成专用模块制作。实验结果表明该平台在机器人设计的实践教学中取得了良好效果。

模块化；机器人平台；3D打印

模块化作为机器人发展的重要方向，已经应用到机器人的设计与研发中。模块化机器人的特点是各机器人构件具备通用性、重构性，构件之间具有统一的接口，可以根据用途进行组合，得到所需的机器人[1]。现在，国内外研发生产模块机器人的公司有很多，但这些公司的产品大多价格昂贵，且并不完全符合机器人实践教学的要求。因此，根据课程内容和实验需要，设计了一套模块机器人实践教学平台，并通过实验验证了该平台的教学效果。

1　模块机器人平台

组成模块机器人平台的机械模块可分为通用模块和专用模块。通用模块是一组具有不同形状尺寸和功能特征的构件，在使用时，可以根据所要完成的具体任务进行设计，选择合适的构件进行搭配，由于构件之间的接口标准统一，因此，能够像搭积木一样，组合成所需要的机器人主体。通用模块按照功能可分为连接件和传动件，连接件为固定不动的构件，如底座、支架等；传动件为传递活动的构件，如车轮、齿轮等，如图1所示[2-3]。并且，这些通用模块全部都制作了三维模型，可以先在计算机上进行机器人的设计，从而降低了制作机器人的难度和成本，给使用者带来了便利。

图1　机器人通用模块

专用模块则是在设计机器人时，要完成特定任务的关键功能件。由于要求机器人完成的任务千差万别，很多情况下，机器人执行端的关键功能件不可能使用标准、通用的模块构件。因此，这就需要根据任务定制相应的专用模块。

除了机械模块，机器人平台还包括控制器、传感器、执行器等部件。控制器由CPU、电源、数字量输入/输出、模拟量输入、舵机接口、通讯、发声等部分组成，是一个通用小型机器人控制器。CPU采用ATmega128，具有较强的数据处理能力，并且用图形化集成开发环境，采用C语言编辑程序，开发较为简单，对本科学生进行机器人实践训练十分有利；传感器有红外线接近、红外线测距、声音、温度、碰撞等传感器，种类丰富，能够组成各种类型的机器人；执行器是机器人的运动驱动部件，有直流电机、步进电机和微型舵机[4-5]。

2　模块机器人实验

模块机器人实验分为设计和制作组装，两个步骤。设计时，先使用UG软件进行机器人三维模型的搭建，根据任务进行设计专用模块，并进行机器人模型的运动仿真，检查是否符合设计者的意图，能够完成预定任务；确定无误后，使用3D打印技术制作专用模块，将各个模块组装成机器人，并编写程序，输入控制器，并作相应的调试。由此，可使用模块机器人平台组装出各种典型机器人产品。

（1）四自由度串联机器人

四自由度串联机器人如图2所示，这是一种常见的工业机器人，在底座基础上安装连杆构件、舵机组合而成，各个构件之间使用销轴和螺母连接。末端执行机构根据任务，可选择相应类型手抓，或用3D打印定制执行机构。

图2　四自由度串联机器人

（2）自主避障机器人

自主避障机器人如图3所示，整个机器人可全方位转向，机器人主体为一辆四轮小车，四个车轮为全驱动，每个车轮连接舵机作为转向器。底板上安装两个红外线传感器，用于检测障碍物。当传感器检测到前方有障碍物时，其输出电平会发生变化，控制器按照程序设定采取相应的避障策略，从而使机器人作出相应动作，避开障碍物。

图3　自主避障机器人

3　结束语

采取模块化方式设计和制作机器人是机器人研发的主要发展方向，模块机器人实践教学平台在学校机器人课程的应用，提高了教学水平和质量，值得推广。

［1］周雪峰，江励，朱海飞，等.一个模块化机器人平台的设计［J］.华南理工大学学报：自然科学版，2011（4）：50-55，61.

［2］刘凯，杜玉红.“能力风暴”机器人创新模块在模拟加工中心的应用［J］.机电工程技术，2010（3）：97-98.

［3］张铁.工业机器人及智能制造发展现状分析［J］.机电工程技术，2014（4）：1-3.

［4］束建芳.基于SolidWorks的五自由度打磨机器人虚拟装配设计［J］.机械工程师，2012（1）：22-23.

［5］李修元，杜玉红.2V2足球机器人设计［J］.机电工程技术，2014（7）：82-84.

(编辑：阮毅)

The Modular Design of Teaching Robot Platform

LIN Min，HUANG Xue-qiang，WANG Yong，LAI Si-qi
（SouthwestUniversity of Science and Technology，Mianyang621010，China）

Modularity is themain development direction of the robot design.The establishment of amodule robot platform for practice teaching，introduced each module function of universalmodule library，as well as in the experiment design basing on task specific modules，and 3D printing technologywasused to complete the specificmodule production.Experimental resultsshow that the platform has achieved good results in practice teaching robotdesign.

modularity；robotplatform；3D printing

TP242

A

1009－9492(2015)06－0062－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.015

2015－03－09

林敏，男，1993年生，四川眉山人，大学本科。研究领域：机械设计、自动化控制。