时间：2023-05-30 09:05:16
【关键词】人形机器人；单片机STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”约束结构
0 引言
类人形步行机器人的控制还有它的相关技术的研究无论是在国内还是国外的机器人领域中都有着重要研究价值，同时机器人的研究成果和当今的社会有着密不可分和不容忽视的意义，所以这项科学一直成为机器人研究的热点之一。
时至今日，设计并完成具有GPS定位功能的类人形机器人的运动控制，需要满足以下几个基本功能：其一是研制出两足步行机构，并使其能在许多结构性、非结构性环境中完成行走任务，从而代替人类进行诸如延伸、作业、扩大活动等领域；二是更多地了解和掌握人类步行时的特性和技巧，并且利用这些特性来为人类服务；三是两足人形机器人的步行系统，具有极为丰富的动力学特性。在这方面进行的研究，可以拓宽力学以及机器人学的研究方向。
1 系统结构设计
本设计采用STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片，集成了两片存储芯片AT24C512，GPS定位模块并设计了35个IO双向接口，用于传感器及电机的集成。
硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 单片机。单片机的工作电压为3.3 V～5.5 V（5V单片机），兼容普通8051的定时器或4个外部中断，工作频率在0-35MHz之间，有6个16位定时器，具有看门狗和EEPROM功能，并且内部集成MAX810专用复位电路 。使用内部R/C振荡器时钟 11MHz-17MHz。
GPS模块性能的价值指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、时间精度、功耗等。在不同的启动模式下，模块开机定位时间有很大不同。一般来说，模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况称为冷启动时间，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内；模块内部有较新的卫星星历（一般不超过2小时），但时间偏差很大的，称为温启动时间，一般标称在45秒以内；热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。
人形机器人设计了35个IO接口，其中包括万能接口11个，万能接口可以选择7.4V 或5V 电压供电，可选上拉电阻或下拉电阻。可用于各种扩展舵机和传感器。
由于双足机器人运动控制的复杂性，为机器人使用的STC12C5A60S2单片机集成了两片电可擦除存储芯片AT24C512，存储空间共有128KB，这样可以让机器人程序存储器空间扩充至190KB。AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部共有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16 位，地址范围为0000～0FFFFH之间。其优点就是，采用8引脚封装，结构紧凑、存储容量大。在测控系统中被大量采用，可以在2总线上并接4 片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统。
本设计采用由德州仪器公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。串口通信指的是数据的各位按顺序一位一位传送。他的优点就是，只需一对传输线，占用硬件资源少，适用于远距离通信，而缺点则是，传送速度较慢。本设计所采用的是4pinRS232接口带“CTS”判断位，可以同时输出RS232电平和TTL电平。由于电脑串口RS232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统所采用的信号电压是TTL电平0+5v，所以需要进行电平转换，这也就是使用max232的原因，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。
2 软件设计
根据双足类人形机器人行走控制系统的功能需求和硬件电路特点，软件系统需要满足以下3个要求：
1）软件模块化，并且需要有很好的可维护性，可扩展性。
2）能够实现PWM 信号的分时复用，并且要保证PWM 信号的高精度。从而通过软件，及时地改变PWM 的输出。
3）可以满足机器人多自由度控制的实时性。
3 结论
双足类人行机器人是近年来的前沿学科，它涉及人工智能、自动控制、仿生、通讯、机械电子等多个领域的技术融合。本论文重点研究了机器人的行走规划以及GPS定位功能的实现，经实验验证，所设计的机器人能够在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。
【参考文献】
[1]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[C]// 中南工业大学学报：机器人学大会论文专辑.2000.
[2]王志良.竞赛机器人制作技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[3]刘志远.两足机器人的动态行走研究[D].哈尔滨工业大学，1991.
[4]郭志攀.小型机器人设计及运动规划研究[D].哈尔滨工业大学，2007.
[5]马忠梅.单片机的C 语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社， 1997.
[6]张建民.机电一体化原理与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，1992，1.
[7]曲家骐，等.伺服控制系统中的传感器[M].北京：机械工业出版社，1998.
【关键词】机器人；腿部；设计
当前，常见的机器人大多是通过轮子履带进行移动的，这种机器人在光滑，微重力，以及不平整的路面很难发挥其移动迅速的优势。所以，机器人正向着具有行走能力的方向发展，双足机器人的应用范围也越来越广泛，目前，机器人技术比较成熟的应该是美国和日本。我国机器人研究起步较晚，约与20世纪70年代末、80年代初开始，以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平[1]。
现在，步行机器人正朝着智能化、高仿真的方向发展。2013年，日本本田工业技研公司研制的仿真机器人ASIMO，是至2013年最先进的仿人行走机器人。这款机器人模仿人类动作更精准。能跑，能跳，上下楼梯，动作十分灵巧。
本文设计了一种简单的双足机器人，采用连杆曲线模拟人行走时脚步的运动轨迹，运用单片机，步进电机来控制连杆机构，实现双足的交替走动。
一、双腿运动方案设计
为了实现机器人双足的交替前进，首先进行了执行机构的设计，并对不同的机构进行了分析与比较：
（一）凸轮机构的分析
凸轮机构是机械中常见的一种机构，其最大优点是只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律[2]，凸轮机构控制机器人双腿主要依靠两个偏心轮偏心轮带动双替的上下移动，使机器人向前行走。这种机构结构简单可靠 ，造价低，容易控制。但是采用凸轮机构机器人移动的步伐较小，脚步抬起的高度较低，而且行走时身体会出现较大的晃动，不适合在多变的地面行走。
（二）舵机控制的分析
利用舵机控制机器人是目前常用的一种方法，其原理是利用舵机控制关节转一定角度，达到两替向前运动。这种方法仿真程度高，双腿变化多样。舵机输出扭矩大，可以承受较大的负载，而且抗抖动性好，电位器的线性度高达到极限位置也不会偏离目标。但是采用舵机控制，结构复杂，成本高，可靠性低，不易维修和保养。
（三）连杆机构的分析
连杆机构的应用十分广泛，它步进在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的转动机构、折叠伞的收放机构及人体假肢等也都有连杆机构。运用连杆机构控制机器人腿部，主要依靠连杆曲线，选取与人脚步运动一样的曲线，利用步进电机带动曲柄的转动，连杆上的某一点受曲柄及要摇杆的约束会绘制出变化多样的连杆曲线。利用连杆曲线来实现腿部的上下运动。连杆机构机中的运动副一般均为低副，其元素之间为面接触，传动时所受压力较小，磨损亦相应减少：承载能力较大，好，磨损小，加工制造容易，易得到高精度。[3]且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。但是连杆机构易产生较大的误差，机械效率低，不适于高速度运动。
（四）选定方案
考虑到本研究针对机械和电器类专业的结合，为了力求结构简单，降低控制及机构的复杂程度，提高可操作性及成本，所以选择稳定性与实用性较强的连杆机构。利用直流电机作为动力源，身体内安置电池盒，可安装2节干电池，提供6V电压，以保证机构的运转。采用二级展开式齿轮传动，通过减速器改变输出的扭矩。
二、连杆机构的设计
（一）腿部的运动方式
人行走时脚部的运动如图所示
不难发现其脚部的轨迹是类似面包型的曲线。
查连杆曲线图谱可以发现，人行走时脚部的轨迹与单直线型连杆曲线类似，计算其比例，利用adams做出仿真。
（二）腿部结构的设计
将其与腿部铰接在一起，便可以实现腿部的上下运动。采用两个这样的机构，便可以实现双腿的交替抬起、前移。由于腿部只有一个转动副的约束，所以腿部的运动会出现晃动。导致连杆曲线不能够传递到脚部。为了解决这个问题，我们采取将腿部与身体用滑块相连接，限制了转动副的自由摆动，这样便限制了腿部的摆动，能够使连杆曲线完整的传递到脚部，完成所需要的运动。
运用两个连杆机构，其曲柄初始相位差为180度便可以实现两腿的交替上下运动。
三、行走效果与性能
在连杆机构与身体组装好之后，在平整的路面进行行走测试，以验证其行走效果是否满足要求。
此次试验中，双腿运动比较和谐，可以稳定的前行。在行走过程中没有出现停滞摔倒现象，证明连杆曲线的运动方式可行。
四、总结
通过运用有关机械、电气的有关知识实现了电机及连杆系统间的协调配合。连杆式双足机器人与传统轮式和履带式机器人相比，该机器人可以适应摩擦力较小的地面。组成的结构较为简单，大幅度降低了制作成本；其次，该机器人可以增加灵活的手部机构，可以在光滑、微重力地面顺利完成工作。目前机器人正代替人类完成许许多多工作，连杆式双足机器人有广阔的应用前景，相信在不远的将来，连杆式双足机器人会广泛的应用在工业、农业生产中，使我们的工、农业飞速发展。
参考文献
[1]刘极峰.机器人技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：3.
关键词： 机器人； 人机界面； 三维可视化； 图形降噪； 图像处理
中图分类号： TN830.1?34； TP391 文献标识码： A 文章号： 1004?373X（2017）12?0105?03
Abstract： In order to improve the operating performance of 3D visualization of robot human?computer interface， a 3D visualization reconstruction design method of robot human?computer interface based on GPU real?time graph tracking rendering is put forward. The computer vision method is used to sample the visual features of robot man?computer interface， and perform the sparse scattered points reconstruction for the sampled vision pixel information. The image processing method is adopted to denoise the graph and correct the edge in the reconstructed 3D space， and improve the detail presentation ability of 3D visualization graph of man?computer interface. The simulation results show that the method used to design the 3D visualization of the robot human?computer interface has perfect visual effect of the output graph， strong human?computer interaction ability， and high application value.
Keywords： robot； human?computer interface； 3D visualization； graph noise reduction； image processing
0 引 言
机器人人机交互（Human?Computer Interaction，HCM）是通过图像和计算机视觉处理的方法，实现机器人系统与用户之间的交互关系和沟通，在机器人人机交互过程中，人与计算机通过计算机视觉处理和动作识别的形式实现语言沟通，完成确定的任务和计算机与机器人的信息交换[1]。机器人人机交互系统广泛应用在视景模型仿真、机器手设计和远程虚拟控制等领域，在现代工业和远程控制中具有重要的应用价值。
在机器人的人机交互中，需要通过对人机界面的三维可视化设计，提高人机交互的可视性和人工智能性，研究人机交互界面的三维可视化重构方法在机器人的人工智能优化设计领域具有重要的应用意义。对此，本文提出一种基于GPU实时图形跟踪渲染的机器人人机界面的三维可视化重构设计方法。首先采用计算机视觉方法进行机器人的人机界面视觉特征采样，采用图像处理方法实现图形降噪和边缘修正处理，提高人机交互界面的三维可视化图形细节表达能力。最后进行仿真实验分析，得出有效性结论。
1 视觉特征采样与像素信息重构
1.1 人机界面计算机视觉特征采样
为了实现机器人人机界面的三维可视化设计，首先进行视觉信息采样，本文采用计算机视觉方法进行机器人的人机界面视觉特征采样，在视觉信息采集中，对特征空间中的突变信息进行采集，检测提取后的轮廓线信息是否符合要求，不符合的原因是由于阈值小而提取了过多的次要轮廓线，使主要轮廓线无法突出。利用多尺度特征来提取轮廓线，并将高频与低频部分的轮廓线信号进行融合，也就是在不同尺度特征下进行轮廓线提取，因此可得到光滑的轮廓线图像，提取出的人机界面外部采集轮廓线，将外部特征通过二维流形分析[2]。机器人与人体动作的交互过程可以表征为一个高维向量，收集大量人体动作完成机器人的人机动作交互，将人机交互界面场景数据库中的交互动作数据进行三维特征扫描，扫描包括激光扫描、红外扫描和CT扫描等方法[3]，得到机器人人机界面交互的动作扫描的像素组成为：
1.2 视觉像素信息稀疏散点重构
对采样的视觉像素信息进行稀疏散点重构，为进行人机界面的三维可视化设计提供数据基础，对机器人人机交互界面的视觉像素信息稀疏散点重构需要遵循以下原则：
（1） 可描述性。对不同的人机交互动作，应该提取具有明显区别的特征参数，即特征参数具有较强的敏感性，能够高效地对技术姿态进行描述。
（2） 可靠性。不同的动作识别系统做同一个技术动作时一定会存在差异，但这种差异不应该对特征参数造成影响，即同种类型的技术姿态的特征参数会比较相似，这就要求所提取的特征参数对位置和对象不敏感。
（3） 数量少。一个动作识别特征值越多，系统的计算复杂程度就越大，因此要尽可能控制特征值的数量[5]。在像素点中，通过仿射变换，得到对应的不变矩坐标为，在不同朝向和不同尺度间进行机器人人机界面网格区域匹配，得到人机界面三维轮廓函数为：
3 实验测试分析
对机器人的人机界面三维可视化实验建立在本主机配置为PentiumD CPU 2.80 GHz，2.79 GHz，2.00 GB内存的计算机硬件平台上。在机器人人机动作特征识别中，人体动作特征单元和模块子单元表示为Cell （col，row）。其中col表示行，row为列，人机交互中人体动作图像采集来自于分辨率为640×480，帧率为25 f/s的AVI视频，参数设定为=0.5，=2，=2，得到机器人人机界面的三维可视化重构结果如图1所示。对图1给出的机器人人机界面三维重构结果进行降噪和修正处理，得到三维可视化优化结果如图2所示。
对比图2和图1结果得知，采用本文方法进行机器人人机界面的三维可视化设计，输出图形的视觉效果较好，人机交互能力较强，性能优越。
4 结 语
为了提高机器人人机界面的三维可视化操作性能，本文提出一种基于GPU实时图形跟踪渲染的机器人人机界面的三维可视化重构设计方法。采用计算机视觉方法进行机器人的人机界面视觉特征采样，在重构的三维空间中通过图像处理方法实现图形降噪和边缘修正处理，实现三维可视化设计。研究得知，采用该方法进行机器人人机界面的三维可视化设计，输出图形的视觉效果较好，人机交互能力较强，具有较高的应用价值。
参考文献
[1] 董哲康，段书凯，胡小方.非线性忆阻器的串并联研究及在图像处理中的应用[J].西南大学学报（自然科学版），2015，37（2）：153?161.
[2] 袁健，高勃.基于OpenCL的三维可视化加速模型[J].小型微型计算机系统，2015，36（2）：327?331.
[3] 朱路，刘江锋，刘媛媛，等.基于稀疏采样与级联字典的微波辐射图像重构方法[J].微波学报，2014，30（6）：41?45.
[4] HUANG Y， PAISLEY J， LIN Q， et al. Bayesian nonparametric dictionary learning for compressed sensing MRI [J]. IEEE transactions on image processing， 2014， 23（12）： 5007?5019.
关键词：可重构；模块化机器人；自组装；群体机器人；XC886
中图分类号：TP242.6文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)23-5701-03
Design of Changeful Magic Cube Robots Based on XC886
GUO Li-feng1, JIE Zong-chang2, CAI Ze-hui3
(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.School of Computer Science and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
Abstract: This paper presents a novel reconfigurable modular robots (Changeful Magic Cube Robots) that also shares characteristics with self-reconfigurable and self-assembly and swarm robots baede on the Infineon XC886 microcontroller. Each module of Changeful Magic Cube Robots can be free to move and can be self-assembled to form a magic cube's structure with the other modules. These independent modules can be configured into various different forms to achieve deformation. The composing of hardware, the structure of software and the principle of system is introduced detailed in this paper. Based on the Experiment, the XC886 chip is proved to be efficient and robust.
Key words: reconfigurable; modular robotics; self-assembly; collective robots; XC886
今年来，随着机器人技术在日常生活和生产实践中的不断应用，人们对机器人技术的要求也不断提高，单机器人系统在信息的获取、处理以及实时控制能力等方面的局限性开始显现。尤其在复杂多变的工作环境和工作任务中时，多机器人系统的拓扑形态是自主可变的，其可以根据所处的环境通过组成模块之间的自主完成系统结构的重组，来调整其构形和功能，从而完成既定的任务，这极大的提高了系统的鲁棒性。这样就对其控制系统提出了人工智能的更高要求，这也是当今机器人研究界最热门和尖端的研究方向之一[1]。
本文提出一种由英飞凌单片机XC886芯片控制的可重构模块化机器人――多变魔方机器人，设计了其感知系统，通讯系统、传动系统和信息处理系统，并根据每一功能部分给出了硬件和软件设计实现。最后通过应用实践，得出英飞凌XC886单片机以其快速的处理速度，功能齐全的芯片外设实现了机器人的通信、移动、信息处理和感知功能。
1 多变魔方机器人系统设计
多变魔方机器人由n×n×n个相同的小模块机器人组成，如图1(a)所示为多变魔方机器人的一个组合，其中每个小方块代表一个具有完全相同结构的模块机器人[2]。每一个小方块就是一个独立的机器人单元。拥有电源、微处理器、移动结构、连接结构、自由度结构、传感器单元和通信接口等，如图1(b)所示。子系统除了控制与它对应的模块之外，还要负责整个系统的协调以及计算和规划等工作。
1.1 机械结构设计
本项目设计的多变魔方机器人的模块为一个可以自由移动的10cm×10cm×10cm的小立方体，每个模块上嵌入有自由度结构、移动机构、连接机构、传感器单元、通信接口、电源和控制系统电路板。如图2(a)为小机器人整体仿真结构图，它包括了移动部分、自由度部分、连接部分。
考虑到模块的供电和小直流电机的最大输出力矩等因素，故只设计了一个自由度如图3(a)所示，由一个经过6条棱的中点的平面切割得到，这大大的减小了模块的功耗和结构复杂程度。这个自由度由360度无限位舵机来实现，其中舵机的旋转轴在小立方体的中心，并在小立方体的下半部分安装一个霍尔元件，在上半部分安装三个磁钢，根据霍尔元件测得的电磁信号来确定转动位置。
机器人移动的方案有很多种，如足式、轮子和蠕动[3-7]等。本项目暂采用三轮结构，通过控制两个小伺服电机的转动配合一个万向轮来调节分立模块在平面上的移动。
多变魔方机器人的形态变化和自组装的实现是由电磁结构完成的，组合机器人中常见的连接方案有机械结构和电磁结构两种，其中参考文献[8]提出一种能提供足够的吸引力或排斥力的E型电磁铁，通过适当的设计就可以利用它改变可重构机器人的形状。本项目采用定制的类似电磁铁来实现模块之间的连接与分离，并在模块的六个面上分别装上这种电磁铁。
1.2 小机器人控制系统设计
小机器人的控制系统式小方块机器人的关键，包括：主控制芯片模块、无线通信模块、小舵机控制模块、大舵机控制模块、电磁铁控制模块、红外传感器模块、霍尔定位模块如图1(b)所示，其中箭头的方向代表信号的流动方向。其中，直流电机完成小机器人的移动功能，360°大舵机和霍尔定位完成自由度控制，无线通信模块完成整个系统协调的通信功能，红外定位控制小机器人的自动循迹功能[2]，电磁铁完成小机器人的自组合功能。
2 多变魔方机器人控制单元在XC886上的实现
XC886单片机是英飞凌公司基于8051工业标准架构生产的高性能8位单片机，其内部集成有两个独立的16位计数器的捕捉/比较单元（CCU6），可灵活产生PWM信号用于直流电机的控制；两个UART单元，用于与无线模块通信；四个通用16位计时器和可编程的16位看门狗计时器（WDT）；一个用于计算乘/除法的计算单元（MDU），可根据其公司提供的软件包来实现浮点运算而不占用CPU时间，这为小直流电机控制复杂算法提供了平台；并支持片内调试[9]，这大大简化了系统的调试，缩短了调试时间。同时，XC886包含多种省功耗模式，非常适用本限制供电体积的机器人。
2.1 硬件设计
机器人控制板的硬件由图4所知，其包括XC886配置电路部分，电源部分、直流电机控制部分、舵机控制部分、红外管部分、电磁铁控制部分、无线通信部分[10]、霍尔定位部分。
红外管部分由文献[2]中可知需要38kHz的波形，同时直流电机控制和舵机的控制也是由不同占空比的一定频率的波来实现控制。
图4 舵机控制框图
舵机和直流电机部分都是舵机改装制作成的，其舵机的原理为由控制芯片给舵机控制信号，经由电子控制板上的IC判断转动方向，再驱动小型直流电机开始转动，透过变速齿轮组将动力传至舵机输出轴，同时由可调电位器（位置检测器）反馈回位置信号，判断是否已到达指定的位置。其反馈控制的原理图如图4(a)所示。
舵机的控制需要一个周期为20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分在0.5ms~2.5ms范围内，可以控制舵机输出轴的角度在 ~ 内变化。从而，舵机输出轴的位置与舵机内部的可变电阻器的阻值是一一相对的。这样，输入信号的占空比与可变电阻器的阻值是一一对应的。根据这个原理，可以将舵机内部可变电阻应用一个不跟舵机输出轴相连的可变电阻替换。这样舵机就没有了反馈阻值，舵机的控制是一个开环控制。其控制结构框图如图4(a)所示。
XC886单片机包括两个可以灵活产生4路独立的可以控制占空比的PWM波形的捕捉/比较单元（CCU6），其结构简图如图5(b)所示。XC886的CCU6单元包括通用定时器（T12、T13）、全比较PWM单元、捕获单元和。应用CCU6的通用定时器和全比较PWM单元可以很容易的生成PWM波形。由不同占空比的PWM波生成可知，要获得一个一定频率的三角载波和一个用于产生占空比的比较值。由图5(b)可见应用CCU6单元生成PWM波形，只需要对T12、T13的几个特定的寄存器、控制器进行配置。
根据上述设计得出控制板的电路原理图如图6所示，其中包括控制芯片的配置电路包括引脚配置、时钟电路、复位电路、复位电路和片上调试电路（JTAG），电磁铁控制电路，无线通信接口电路和电源电路。
2.2 软件设计
XC886的软件可以通过C语言在DAVE-Bench平台中进行编辑，调试和下载。本设计方案中，控制系统的软件由主程序、不同模式的子程序和各个模块的子程序组成。
其中主程序主要完成系统各个模块的相应寄存器和控制器的初始化和小机器人的工作模式的初始化。本设计中小机器人处于三种工作模式主动寻找模式、被动需找模式和等待模式如图7(a)所示。其中小方块机器人工作在何种模式由小方块机器人通过无线通信收到的信息决定。当接通电源时，小方块机器人开始工作，首先确定好小方块机器人各自的工作模式，然后处于主动寻找模式和被动寻找模式的两个小方块机器人通过无线通信协同完成自动组合工作。
主动模式和被动模式都是来确定模块相互定位用的，该子程序实现两个小方块机器人的相对位置调整，完成两个小方块机器人的结合面处于相对的调整工作。相对位置调整子程序流图如图7(b)和图7(c)所示。选定工作模式后，处于主动寻找模式的小方块机器人打开对接面上的红外接收管并向处于被动寻找模式的小方块机器人发送红外管全开的命令，接收到确认应答后，处于主动寻找模式的小方块机器人开始缓慢旋转直到红外接收管接收到红外信号，若旋转一周后红外接收管仍然没有接收到红外信号，则向处于被动寻找模式的小方块机器人发送旋转一定角度的命令，然后重复以上过程直到红外接收管接收到红外信号，这时处于主动寻找模式的小方块机器人的对接面就对准了处于被动寻找模式的小方块机器人。之后，打开处于主动寻找模式的小方块机器人的对接面的红外管并向处于被动寻找模式的小方块机器人发送面对准的命令，接收到这一命令后，处于被动寻找模式的小方块机器人打开对接面的红外接收管并缓慢旋转直到红外接收管接收到红外信号，最后发送回完成应答。这时候，两个小方块机器人的结合面就大致处于相对位置了。
3 总结
经过一系列设计、安装和调试，我们完成了多变魔方机器人的原理样机。多次试验后，证实基于XC886单片机设计的控制系统具有功耗低、体积小、控制速度快、需要外设少和实现复杂控制算法简单等优点。
多变魔方机器人在现实应用中具有重要的价值，下一步我们将对原理样机进行改进。后期的研究中将考虑增加陀螺仪、加速度传感器、摄像头等，并改良模块的自主移动机构，以期多变魔方机器人能在更恶劣的环境中实现自组装和形态变化，在实际应用中发挥更大的作用。
参考文献：
[1] ,李斌,陈丽,等.蛇形机器人控制系统的设计与实现[J].机器人,2003,25(1):491-494.
[2] 蔡泽辉,郭立峰,揭宗昌.魔方机器人自动寻找方案设计[J].电脑知识与技术,2010,6(16):4490-4492.
[3] 陈甫,臧希,赵杰,等.六足步行机器人仿生机制研究[J].机械与电子,2009(9):53-56.
[4] 于殿勇,张滔.一种简易足式移动机器人[J].中国机械工程,2006,17(20):2117-2120.
[5] Sriraman K R,Raman S G S,Seshadri S K.Hardness and sliding wear resistance of electrodeposited nanocrystalline Ni-W alloys[J].Materials Science and Engineering,2006(418):303-311.
[6] 常勇,马书根,王洪光,等.轮式移动机器人运动学建模方法[J].机械工程学报,2010(5):30-36.
[7] 陈海初,张蕊华.全方位精密定位微小移动机器人[J].压电与声光,2007,29(2):161-163.
[8] Ming-Chiuan Shiu,Li-Chen Fu,Hou-Tsan Lee."Design of Reconfigurable Robot Based on Electromagnets[C].Proceedings of the 7th Asian Control Conference,Hong Kong,China,August 27-29,2009:925-930.
[9] Infineon Technologies AG.XC886/888CLM 8-Bit Single-Chip Microcontroller Datasheet V1.1[EB/OL].[2007-05]..
关键词：高压 输电线路 巡检 机器人
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0039-01
随着我国电网规模的不断扩大，高压输电线路在我国电路传输中占有十分关键的地位，为电力输送发挥着重要的作用。高压输电线路能够安全、稳定的运行与社会发展和人民的日常生活息息相关。为了保证高压输电线路能够稳定可靠的运行，需要对输电线路定期进行巡检和维护。传统的输电线路的巡检以人工检测的方法为主，不仅巡检效率低，而且具有一定的危险性，特别是在恶劣的环境下，采用人工巡检的方式对高压输电线路进行维护和保养，需要投入大量人力、物力和财力，加上线路的日益复杂，人工巡检操作困难，危险性高。巡检机器人的应用有效的取代了人工巡检存在的弊端，自应用以来受到行业专家和学者的广泛关注。在复杂的高压线路环境下，巡检机器人要高效的完成巡检任务，需要有在线行走和跨越障碍的能力，因此，机器人本身的机械结构就直接影响着机器人的实用性能，也是巡检机器人应用和发展的重要技术之一。
1 巡检机器人机械结构的组成和功能
在高压输电线路上存在多种障碍物，如防振锤、跳线、线夹等，机器人要在高压线路上以高空悬挂的方式完成巡检任务，就需要其机械本体具有行走和越障的机构，以使巡检机器人能够在高压输电线路上实现行踪和在线越障，保证其能够在输电线路上持续工作。
高压输电线路上的巡检机器人的行走机构，是机器人的基本组成结构，是巡检机器人性能实现的基础。线路巡检机器人与地面机器人在行走方式上市截然不同的，不仅要在线路上行走，同时还需要在线路上保持平衡稳定的状态。从仿生学的角度来看，巡检机器人在输电线路上的行走与人类在钢丝上行走极为相似。人类在钢丝绳上行走一般利用双臂将身体在钢索上悬挂，采用双手交替抓握钢索的方式在钢丝绳上行走。或者是采用平衡杆来保持身体的平衡性，采用平地行走的方式行走。两种方式相较而言，前者稳定性更高，行走速度更快。根据放生机械设计的原理，机器人在线行走功能设计原理可模仿人体悬挂在钢索上行走的模式，采用滑轮在线滑动的方法来实现。
2 巡检机器人的机械结构设计
2.1 巡检机器人基本结构组成
如图1所示，高压巡检机器人的机械结构主要分为机器人双臂和机器人箱体两个部分。箱体中装置由控制器、无限收发器、电机驱动器等电子设备。双臂是巡检机器人用来越障的主要机构，电机位于手臂的前端用来驱动和控制机器人的行走，在电机两侧装置有手爪，能够为机器人行走和越障提供保护。巡检机器人的双臂是对称的，每个手臂具有四个自由度串联机构，上臂装置由转动副和上下伸缩移动副，下臂有转动副和水平方向移动副。机器人手臂具有大范围回转的功能，手臂可以机器人本体进行移动，双臂的八个自由度为机器人的行走和越障能力的实现提供保障。
2.2 巡检机器人的硬件结构
巡检机器人的控制系统包括本体和地面基站。机器人具有各自独立的图像传输系统和数据指令传输系统，在不同的信道内各种承担工作任务。机器人的状态通过无线通信的方式进行远程控制和监督。机器人本体与地面基站之间建立有专门的无线图像传输系统，机器人在巡检任务的执行过程中将线路状况拍摄成图像信息通过无线通信系统传送到地面基站。
2.3 控制系统
高压输电线路路巡检机器人在执行线路巡检任务的过程中，沿着输电线路架空行走，因为输电线路离地面较高，因此巡检机器人的控制不仅仅包括线路上行走，同时还包括上线、跨越障碍、线路检测、下线等一系列的任务执行过程。控制系统必须对机器人进行全程的动态监测和控制，保证机器人每一个动作的安全。为了实现对上述任务的有效控制，本文设计的高压巡检机器人包括辅助控制系统、行走过程控制系统、越障过程控制系统、异常情况处理四个部分。
3 高压巡检机器人机械设计的发展前景
高压巡检机器人自应用以来，受到全球电力行业的广泛关注，成为电力领域研究的热点问题。随着新技术的不断开发和更新，巡检机器人也必将朝着轻量化、简单化、高效化的发展方向，应用前景十分广阔。
3.1 轻量化发展
机器人的性能取决于其本身的机械结构、材料、系统模块配置等因素。从我国现今高压巡检机器人的应用来看，主要依靠蓄电池进行能源供应，现今很多学者致力于利用感应原理对机器人在高压线路工作状态下的取电，以实现工作中的自我供电取代传统的蓄电池供电，这种方式的应用能够有效的减轻机器人的重量。同时材料科学的不断发展进步，是机器人在材料方面更加先进，是巡检机器人的轻量化设计成为可能。
3.2 简单化发展
随着控制技术的不断发展，机器人的控制复杂性会不断降低，不仅操作更为简单，而且工作效率同时得到有效的提高。随着对机器人机构设计的不断优化，结构更加简单，机器人的越障能力更加灵活，协调性更好。
3.3 高稳定性、高效性发展
衡量巡检机器人的性能是以机器人运行的稳定性和高效性为标准的，巡检机器人大多应用在户外比较恶劣的环境条件下，而且其是在悬挂的状态下执行巡检任务，为了保证其工作质量，必须首先保证其具有较高的稳定性和高效性，这一直是研究人员关于巡检机器人研发的重点问题，也是高压巡检机器人的发展趋势。
参考文献
【关键词】STC单片机;串口通信;PID算法
1.系统整体设计
本设计的机器人系统由控制中心（MCU）模块、舵机驱动模块、电源管理模块、UART串口模块、超声波传感器模块等构成，整个系统构成一个闭环控制系统。硬件组成框图如图1所示。
图1 系统整体结构
2.系统硬件电路设计
2.1 主芯片选择
STC12C5410AD单片机是增强型8051单片机，单时钟/机器周期，工作电压5.5V一3.5V，工作频率范围0～35MHz，512字节片内数据存储器，10K字节片内Flash程序存储器，ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口直接下载程序，EEPROM功能，6个16位定时/计数器，PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列，4路），8路10位A/D转换，SPI同步通信口。
2.2 舵机驱动模块
由于舵机的响应时间对机器人控制平衡很重要，为了实现其快速响应，将舵机的工作电压提高到+6V。为了减小此时间常数，还可以通过改变舵机的安装位置，加长力臂可以实现提高舵机的响应速度。舵机的输出转角大小与给定的PWM信号值成线性关系，以PWM信号为系统输入信号，改变PWM的占空比，实现舵机控制。
2.3 电源管理模块
电源管理芯片的好坏直接影响系统的稳定性。从整个系统的稳定可靠的角度出发，选择了一款低压差芯片TPS7350，该芯片最具特色的优点是当输出电流为100mA时，最大压差只有35mV，只需很少的器件就能满足应用要求。此外，充分使用该芯片的复位功能，减少了芯片的使用量，提高了系统的稳定性。为了减小系统运行过程中由于电机纹波对电源的干扰，特设计了大电容与大电感组成的电容容量为1410uF的LC滤波电路，对引入电源管理芯片的电源进行滤波，保证电源芯片的正常工作电压。
2.4 超声波传感器检测电路
超声波传感器电路主要是实现测距的功能。主要由超声波发射电路和接收电路两部分组成。
超声波接收电路主要使用集成电路CX20106A，它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力，具体见图3。CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心频率，220kΩ的电阻决定了接收的中心频率为40kHz。当CX20106A接收到40kHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。
3.控制系统设计
要实现机器人所完成各种动作需要用到多舵机分时控制原理。具体的，给每个舵机定义一个角度所对应的脉宽变量，并赋予初始值为舵机的中间角度。还要给定时器设定初值既是舵机PWM波脉宽初值。当每次定时器时间到产生溢出中断，进入中断服务子程序后，首先把所有的舵机控制输出口拉低清零，再给某一位置高，并给赋予PWM脉宽的定时时间。最后移位使下次进入中断时给下一位置高，相当于是将时间片传递给了下一个舵机驱动。其原理如图2所示。
根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用单片机的个SCI串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232为电平转换器，将上位机的RS232电平转换成TTL电平。
图2 舵机分时控制原理
4.系统软件编程与仿真
本系统需设计完成的软件包括：机器人串口调试上、下位机软件和机器人独立运行软件;单片机下位机软件。
机器人的单片机运行程序是包含有舵机的控制、完成各种动作的脚本程序、两个主动轮直流电机的驱动程序，还有一些基本的延时、初始化设置等程序。由于程序包含的内容较多，为了方便程序的组织，将各个功能模块分别做成一个独立的C程序，由主程序的头文件包含其他所有要用到的C程序的头文件，来调用其他C文件中的一些功能函数。程序这样设计比较方便将各个功能进行移植。通过在头文件中对各个端口物理地址的宏定义，在其C文件中实现了与物理地址的分离。当物理地址发生变化时，只需修改头文件中的宏定义即可。
5.总结
整个硬件系统成本低廉，由于可以无线与电脑通信，具有良好的二次开发接口。在此硬件基础上搭建的双足步行机器人，具有避障、测距、发音、语音识别、并和电脑具有无线通信的功能，具有好的展示效果和学习效果。
参考文献
[1]胡汉才.高档AVR单片机原理及应用.北京：清华大学出版社，2007.
[2]张培仁，等.十六位单片微处理器原理及应用（凌阳SPCE061A）.北京：清华大学出版社，2005.
[3]梁磊，王树强，许芹.多路PWM信号产生算法研究.电气电子教学学报，2008;30（4）：47―49.
关键词：载人球形机器人 运动仿真 有限元分析 UG/ADAMS软件应用
中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0007-03
具有球星外形的自主移动交通工具有很长的历史，近期发展已经说明了它在不同环境下的各种应用，包括航海的，室内的，室外的，军事方面和行星探险[1]。相比较而言，传统的足式机器人虽然运动灵活但运动速度低，耗能大，承载力小而且控制系统复杂；轮式的移动速度快，承载力大，耗能小，但在某些特殊环境下难以运用，如球体如果它的半径较大的话可以滚过一定的障碍物和沟渠，可以适应非常恶劣的环境。
球形机器人外部一个球形的壳体，与地面及外界物体始终为点接触，从而使其在转向时转弯半径非常小，摩擦阻力小、能耗低、环保节能，并且与外界物体碰撞时的抗冲击性和安全性极高。球形机器人在运动时，与接触面发生近似点接触，所以它的稳定性比较差。它的原理是通过改变机器人的重心来实现在平面上的滚动，那么更有效的控制它的重心改变来提高稳定性和它的运动控制性问题。
目前，国内外对球形机器人的设计研究基本上还处在初级阶段，也有一些研究单位设计研制了一些球形机器人但大多数是比较小尺寸的，里边搭载各种仪器，相对于载人的，大尺寸的球形机器人的研制目前基本上很少；该结构设计最大程度的使得平台上空间分布合理实现载人的条件。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的赵勃等人，将传统的偏心质量块驱动方式进行了改进，研制了一种双偏心质量块驱动的球形机器人，双偏心质量块驱动的球形机器人这种改进的双偏心质量块驱动方式使机器人具有更快的移动速度，更灵活的转向能力，但将机器人的横滚角度限制在了一定的范围，机器人不具有全方位滚动能力；Spherical Mobile Robot
Aarne Halme等人在1996年研制出了第一台具有真正意义上的球形运动机构由电机驱动驱动轮在球壳内滚动，通过改变系统的重心来实现球体的滚动这种设计实现了球体的运动，但由于采用单轮驱动的固有的局限性，它无法实现球形机器人的全向滚动，本文巧妙的利用两个辅助轮速度的改变使得重心左右位移使得在一定的范围内实现转弯功能；Amir Homayoun Javadi A.和Puyan Mojabi在2002年开发了一种全方位球形运动机器人，由一台步进电机通过丝杠驱动一个配重块沿轮幅方向来回移动通过改变轮幅上的配重的位置来驱动系统的运动这种设计也基本上实现了球体的全向滚动，但是由于结构上的原因，这种机器人的体积比较大而且不具备载人能力。
综合国内外研究状况，它们的不足之处在：（1）无载人负重能力。（2）都是机控电控而不是直接由人来操控。（3）大多数仅限于较小尺寸的球形机器人。针对以上情况本文主要设计出一种载人球形机器人的运动结构，应用新的一种结构控制它的运动使得更稳定，在UG中进行三维结构建模，并运用虚拟样机软件ADAMS进行运动仿真，仿真分析与设计，验证结构设计的可行性和合理性，为下一步工作提供有效参考。
1 载人球形机器人的结构设计模型
如图1所示，该球形机器人由球壳，位于球壳内的底部平板架的和位于平板架的和球壳之间的推进装置组成，平板架上装置有电源和座位及控制装置，推进装置是由连接于平台上的三个小轮组成，每个小轮上各有一个驱动电机，分别与球壳内部形成点接触。在静止和行驶过程中，球体重心始终低于球心，且车身质量轻，惯性小，驾驶安全性高。该机构具有较强的越障功能，因为它的外壳是一个较大的圆球，在相同的障碍前比其它车子更能轻松的越过。本发明除过外界物体卡死的情况下，它在任何运动状态下都不会翻车。
当系统的重心与球体的形心同在一条竖直线上时，则对球形机器人不产生力矩，静止不动；启动驱动电机，平板架的载着人运动位置改变进而使得系统的重心位置偏移。系统重心相对于地面形成一个力偶，驱动球壳在地面上运动。刚起步时由于启动力矩较大，所以可以同时启动三个驱动电机，当运动起来后可以只启动主驱动电机1，实现稳定运动，因为它的惯性所以耗能更小；需要减速时，电机1减速的同时可以同时驱动电机2和电机3使之反向运动，由于摩擦力作用下，能够使之更快速平稳有效的降低速度直至所需状态；加速时也同样给定驱动电机2和3一定的同向速度加以实现。如果当驱动电机2和3的速度不一样时，即小轮2和小轮3一个同方向加速而另一个则反方向运动，则小轮1会偏离原运行的轨道，则进行转向，此时如果在使得驱动电机2和3的运动状态与上一运动状态刚相反时，又使得其状态复位，从而使得球形机器人恢复直线运动并且回到之前的运动轨道上。因为是一种载人的球形机器人，所以要求在球壳上有一个开口，通过它进入到里边，而且在转向后要保证其运动轨道回复，因此通过小轮2和3的不同运动状态，使球体重心在左右方向上偏移从而实现球体的转向控制。
为了使得球形机器人在运动过程中底部平板架的平稳性，在以平板架中心为基准，在周围以120夹角分别装置如图所示的带有万向轮的构件以弹簧使其一端与平板架固连，另一端点分别与球壳接触，因此在运动过程中能够起到缓冲作用使得运动更加的平稳。
如图所示，1为球壳2为平台上的带有弹簧的万向球，均匀分布3个，3和5分别为带有电机（2）（3）的轮子，4为带有驱动电机（1）的主轮，6为弹簧，7为位于球壳内的底部平板架
2 三维实体模型的建立及动力分析
球形机器人平面运动系统为一个欠驱动系统，同时又是一个非完整系统。非完整系统可以用较小的驱动机构控制较多的自由度，有利于降低机器人的重量，最小转弯半径小于直径，转向灵活性高；车的重心人为控制，主动操作性强。
球形机器人系统分别在框架和电机的驱动下，改变球壳内的重心方位，从而产生绕着地点的力矩，使球滚动。
2.1 直线运动特性分析
如图1中，假设电机1的转速为，则小轮与球壳接触点的运动速度为机器人中心点角速度球形机器人的角加速度为该球形移动机器人的直线运动速度主要是由电机1的转速所决定。运用运用拉格朗日方程求得电机1的输出转矩为：
其中，载人球形移动机器人的总质量为M；球形机器人的角加速度为α1，球壳的密度为；球形机器人与接触面的滚动摩阻系数为，只与相互接触的两个物体的硬度和湿度有关。由公式（2）可知，电机1的转矩大小与球的总质量M、外径R、球壳的密度加速度α1成正比，与内径r成反比，即内径r越大则转矩越小.因此在球形机器人的外径一定的情况下，为了具有更高的加速度，球壳壁厚应尽量薄且总重量尽量轻。
由以上分析，我们球壳选用亚克力材料透明质轻，壁厚b=15 mm，小车球壳质量80 kg，球壳内各装置的质量25 kg设计承载能力70 kg，则小车的总质量约为175 kg。
亚克力球壳与一般地面的摩擦f取 0.016，球壳在运动中总体所受的阻力：
=175×9.8×0.016=27.44 N
当机器人运动起来时，偏转一个角度 时，转动力矩则最小摆角（底部平板架与竖直方向的夹角）：
2.2 转向运动特性分析
转弯半径的大小是考量球形机器人躲避障碍物灵活性的一个重要因素，本结构设计利用重心偏移轻松控制转向，方便简单而有效的解决了球体的转向不可控的难题，而且有较小的转弯半径。
机器人包括两大部分重量：一部分是重物负载的重量，即人的重量；另一部分是机器人其余部分的重量（包括两个电机和球壳等），由于设计的对称性，重心位于球形机器人的形心与水平面的垂线上。当球形机器人在转弯时，如果底部平板架在电机2，3的驱动下旋转角度时，该球形移动机器人的转弯半径为：
在理论上越大时，则该球形机器人的转弯速度更快、转弯半径更小，但在实际的工程实现中，由于本设计转弯原理是利用重心偏移控制转向，因此必须满足≤，其中为其驱动时的最小摆角。由于该设计球壳半径R=600 mm，所以使得该机器人的转弯速度更快、转弯半径更小。
2.3 机器人爬坡特性分析
球形机器人的爬坡能力主要是由主驱动轮的电机1来实现的，如图2，假设球体受到电动机的输出力矩为M1，相对球心的力矩为M，球形机器人在坡度为的斜面上爬坡，将其运动时在整体负载情况下看做是一质点，其受重力为G，球壳半径为R，斜坡与球壳之间摩擦力足够大，球壳与地面间只做纯滚动，球形机器人与接触面的滚动摩阻系数为（单位 mm），各力对球心的力矩平衡方程为：
可得爬坡角度：
由此得出，在球形机器人总负载不变的情况下，电机输出力矩越大，球壳半径越小，爬坡角度越大，滚动摩擦系数u与地面情况等因素有关。
3 ADAMS运动仿真
虚拟样机技术的不断发展，为此项工作提供了很好的研究手段。该技术将各种不同的学科门类的技术集于一体，在计算机上进行整体系统的完整数字化分析，并提供各种可能的数据分析结果。随着计算机技术和现代设计方法的不断改进完善，建立球形机器人虚拟样机是可行的。但由于系统的复杂性，为建模带来较大难度。为此，在研究和分析的基础上，针对系统内部构件刚性差异较大的特点，提出了基于刚柔耦合方法、基于多种软件的球形机器人虚拟样机建模技术。借助成熟的、可靠的现有软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），ANSYS，Pro/E（Pro/Engineering）进行整机系统建模建立与仿真，可避免对模型的大量简化而引起的结果误差[7]。建立虚拟样机。
运动动力是依靠驱动电动机改变自身重心位置和外界摩擦力提供，与地面之间为纯滚动摩擦。机器人先加速运动，摩擦力瞬间由静摩擦变为动摩擦，加速时，摆角大于0，球体重心偏前，摩擦力大于0。减速时，摆角小于0，球体重心偏后，摩擦力小于0，球体与地面间为纯滚动摩擦.如图5为球形机器人角速度曲线，通过控制轮子的运动来实现球壳的运动姿态。通过建立模型仿真，实验结果模型能够在ADAMS中实现位移仿真，说明其结构设计合理可行，为电机的控制提供重要参数。
4 结构的有限元分析
ANSYS调用生成有限元分析中力的边界条件，进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究；这样便可得到基于精确动力学仿真结果的应力、应变分析结果，提高计算精度。
由于ansys的造型功能较弱，可以选择其他造型功能强大的CAD软件建造模型。本设计是通过UG软件造型，待完成后，然后导入ansysworkbench求解分析。
4.1 静力学求解过程
（1）建立有限元模型，设置材料特性。 （2）对于组建需要定义接触区域。（3）定义网格控制并划分网格。（4）施加载荷和边界条件。（5）对问题进行求解。（6）进行结果评价和分析（结果后处理）。
4.2 底部连接板的优化与设计
在设计过程中，选择钢作为主体材料，重力默认向下。如图3底部构件受应力分析，局部结构安全性差，在整体框架上是比较薄弱的结构，影响整体刚度，通过分析对其尺寸结构尺寸厚做适当调整。
可以发现，运用ANSYS软件来对构件进行应力分析有一定的实用性和科学性，它具有方便简单、精准度高等特点，它分析所得数据是可靠而有效的，通过应力分析能够得到构件在运动过程中不同部分所承受应变的大小，在在构件的设计方面具有十分重要的意义。
5 结语
在本文中，结合使用UGNX和ADAMS，建立了一种具有稳定平台的载人球形机器人的三维模型，实现了一种能载人的球形机器人的设计，并且具有转向性，载人性和球壳的透明使得其更易操控，满足特殊环境下的探测具有很大的应用价值，运用虚拟样机，结合实例，通过球形机器人的运动仿真分析，有限元分析，验证了所提方案满足设计要求，为物理样机的研制提供了重要的依据。虚拟样机技术的运用缩短了设计周期，降低了设计费用，保证了方案的设计质量。
参考文献
[1] 李团结，朱超.一种具有稳定平台可全向滚动的球形机器人设计与分析[J].西安电子科技大学学报，2006，33（1）：53-56.
[2] 肖爱平，孙汉旭，谭月胜，等.一种球形机器人运动轨迹规划与控制[J].机器人，2004，26（5）：444-447，460.
[3] 李团结，朱超.基于虚拟样机技术的球形机器人运动仿真研究[J].系统仿真学报，2006，18（4）：1026-1029.
[4] 孙汉旭，肖爱平，贾庆轩，等.二驱动球形机器人的全方位运动特性分析[J].北京航空航天大学学报，2005，31（7）：735-739.
[5] 李团结，苏理，张琰.直线电机驱动的全向滚动球形机器人的设计与分析[J].机械设计与研究，2006，22（4）：46-48，52.
[6] 林杰，芮延年，周国梁，等.一种全方位球形机器人的运动学分析[J].苏州大学学报：工科版，2005，25（4）：71-73.
[7] 张亚欧.ANSYS7.0有限元分析实用教程[M].清华大学出版社，2004，7.
[8] 岳明，刘荣强，邓宗全.库仑摩擦力对球形机器人运动状态影响的分析[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（7）：1050-1053.
[9] 邓宗全，岳明.球形机器人的发展概况综述[J].机器人技术与应用，2006（3）：27-31.
[10] Rust I.C.， and Asada H. H.. The eyeball ROV：Design and control of a spherical underwater vehicle steered by an internal eccentric mass[C].IEEE International Conference on Robotics and Automation，Shanghai，China，2011：5855-5862.
〔关键词〕医疗器械;人机工程;具体应用;人机界面;可靠性;安全性
在科技发展的推动下，医疗器械的使用功能得到了丰富。目前，医疗器械产品的可靠性虽然得到了很大的提升，但在实际应用中由于人为因素的影响，医疗事故仍时有发生［1］。在医疗器械设计中应用人机工程能够促进医疗器械产品安全性能与可靠性能提升，故我们针对人机工程在医疗器械中的应用进行了如下探讨。
1人机工程概述
人机工程是一项研究人同系统中其他因素之间相互作用和应用的学科。人机工程专家研究的目的是优化和设计环境、系统、产品、工作，让其更加满足人们需求。人机工程学研究的目的是揭开人与环境、机之间存在的规律，以实现人－环境－机系统的优化。人机工程学是在对人－环境－机的特性认真研究的基础上，将人和“物”共处的环境作为系统进行研究［2］。在该系统中人、环境、机之间相互依存、相互作用的关系决定了系统的性能。医疗器械的间接或者直接作用决定了人机工程使用的安全性能。科技的发展使医疗器械的操作控制与内部结构更加精准、精细，医疗器械的可靠性能也得到了很大的提升。但是人的生理机能进化较小，因此对医疗器械进行人机工程学设计，才能让医疗器械更适合人进行操作，切实实现人机统一。
2人机工程在医疗器械设计中的具体应用
医疗器械的种类繁多，在对医疗器械进行设计时需要对多方面的因素进行分析。以人为中心的设计原则不仅能够让设计出的医疗器械能够容易理解与使用，同时还能减少医护人员的训练力度，增强医疗器械与人之间的亲和力。让医疗器械更加具有人性化，还能够减少患者焦虑、恐惧的不良情绪［3］。人性化设计的医疗器械能够提升医护人员的操作效率，确保操作的可靠性。不断完善产品质量，能够提高医疗设备对医护人员和患者的吸引力，进而提升医疗器械竞争优势。2.1人机界面人机界面是人与计算机进行信息交换、信息传递媒介对话的接口，是重要的计算机组成部分，而人机交互就是研究人和计算机之间互相影响的技术。人机界面可以分为环境性人机界面、情感性人机界面、功能性人机界面。人机界面的划分并不是绝对的，3种类型的界面存在重叠与交互。进行人机界面设计应当遵循以下几点原则:(1)合理性，在确保系统设计明确、合理的基础上，任何设计都必须进行定量分析;(2)动态性，每一个产品既需要多维空间理念，同时也需要空间、时间变换，以及思维认识、情感演变因素［4］;(3)多样化，设计应当进行多样化考虑;(4)交互性，界面设计交互非常重要，其不仅是信息的传递，而且也是人接受程度的反馈;(5)共通性，界面应当确保协调、统一，环境、情感与功能不能单独存在。2.2安全性安全性能是医疗器械设计的关键，安全性设计应当遵循以下三点:(1)产品本身不会对使用者与被使用的健康产生影响;(2)产品设计以及相关配置必须满足安全原则，同时还应考虑到相关行业的技术水平;(3)材料的选择，尤其是涉及易燃物品和毒物，应特别注意材料与体液、细胞和生物组织的相容性。2.3触觉设计按钮是现代医疗器械产品控制装置的主要方式，伴随着电子技术水平的提升，按钮控制器成为主要的轻型触觉控制器。按钮控制器不仅有开、关控制的功能，同时还具备转换功能。伴随着印刷电路的发展，操作者只需在操作面板上轻触特定的标志区域就能够实现功能转换的目的。2.4作业空间设计医疗器械应当满足操作人员不同体型和操作姿势的需求，因此医疗器械需要通过增加各种附件配合主机。但是无限地扩展会导致生产成本增加，同时也导致设备维护难度提升。在设计医疗器械产品时，机构应当根据用户体型与操作的需求自动调节。这样不仅能够让患者接受非常舒适的治疗，减少患者治疗过程中的痛苦，而且还能提升医护人员操作的效率与可靠性。2.5材质设计不同材料的内部组织与构造存在一定的差异，质感也存在较大的差异。根据材料不同的特性和人们心理感受差异，合理的选择材质非常重要。医疗器械应当避免大面积的应用金属材质，与金属材质相比较，塑料材质亲和力更好，患者更容易接受，这也是大部分的医疗器械应用塑料外壳的原因之一。医疗器械应当采用亚光表面，因为亚光表面能够降低医疗器械强烈的视觉冲击，同时也能达到较好的清洗效果。
3未来发展趋势
未来医疗器械中人机工程技术的发展将会体现在以下几方面:(1)绿色医疗，在生态哲学指导下，注重可持续发展和生态保护，才能满足以人为本的设计理念;(2)虚拟人机工程，未来虚拟工程模型、虚拟人机工程设计、虚拟现实系统以及虚拟诊所等将会出现;(3)数字化人机工程，未来将会出现人机咨询系统、人机评价系统、服务分析系统以及人机工程分析系统等;(4)智能化人机工程，未来将会出现自动优化的人机智能系统和自动学习人机工程系统等。综上所述，在医疗器械设计中应用人机工程学，能够提升医疗器械的应用价值和安全性能，降低医疗事故的发生率。注重医疗器械设计细节，能够促进医疗服务质量提升和医疗卫生事业的进一步发展。
［参考文献］
［1］谌誉.浅述基于认知和人机工程心理学的医疗器械设计［J］.科技信息，2009(20):334－335.
［2］张广林.探讨基本于人机工程学的医疗器械设计［J］.城市建设理论研究(电子版)，2013(35):58－61.
［3］覃京燕，李丹碧林，李亦芒.医疗器械产品设计中的人文关怀要素初探［J］.金属世界，2009(z1):153－157.
（天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院天津300222）
摘要：在对课外教学和教学设计策略概念加以界定的基础上，系统研究了机器人课外教学设计策略，包括机器人课外教学目标、教学内容、教学组织、教学评价共四个方面的内容，明确了机器人教学的教育目的、教学内容及教学目标，探讨了机器人课外教学组织模式的构建。
关键词 ：机器人；课外教学设计；组织模式；教学评价
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727( 2014) 02-0124-03
机器人教育是时代和社会发展的必然，是学校培养科技创新型人才的重要载体，对培养学生的科学素质和创新精神有着至关重要的作用。机器人课程日益受到重视，在各类机器人竞赛的推动下，机器人课外教学也在如火如荼地开展。但是，为竞赛而竞赛、学生管理的自主状态、师资配置不足、缺乏系统管理等问题在机器人课外教学中也是客观存在。因此，机器人课外教学迫切需要重新审视，坚持以培养人为中心，认真分析机器人课外教学的教学内容、教学目标、教学组织、教学评价等，系统研究机器人课外教学设计策略。
概念界定
关于课外教学的概念国际教育界对“课外”的英文词语不外乎两种：“extra-curricular（课程之外）”或“extra-class（课堂之外）”。教学是教育目的规范下的、教师的教与学生的学共同组成的一种教育活动。从系统性和完整性的角度，本研究将“课外”界定于extra-class．同时把课外教学纳入课程范畴。根据教学定义，进一步明确：课外教学应该包括“教(teach)”和“学(learn)”两种不同性质的活动，教学实施过程中的行为主体包括教师和学生，课外教学是在教学目标指引下，由教师的教与学生的学系统组成的一种教育活动。
关于教学设计策略的概念策略是为达到某种目的使用的手段或方法。所谓教学策略，是在教学目标确定以后，根据已定的教学任务和学生的特征，有针对性地选择与组合相关的教学内容、教学组织形式、教学方法和技术，形成的具有效率意义的特定教学方案。教学策略根据教学活动的内容分为教学设计策略、教学实施策略和教学反思策略。教学设计是教学的首要环节，主要包括教学目标、教学内容、教学组织、教学评价四个方面的内容。
机器人课外教学的教学目标与教学内容设计
确定机器人课外教学目标首先要确定机器人教育目的和意义。从学生能力结构上，可以将“机器人教育目的”理解为：推进素质教育，培养学生的创新意识和创新能力、团体意识和合作精神、设计能力和研究能力以及跨专业综合应用能力。
教学目标设计是对教学活动预期所要达到的结果的规划，是教学设计的重要环节。合理的教学目标是保证教学活动顺利进行的必要条件。教学目标设计应与教学内容紧密相连，应以教学内容为基础，教学内容的组织和实施应能促进教学目标的实现。教学内容是学生所系统学习内化的间接经验和直接经验的总和。根据建构主义教学理论，教学目标设计应促进学生主动学习而不是被动接收，应激发学生思维，促进知识内化为技能，促进学生建构自己的知识体系。
因此，机器人课外教学内容需要教师认真进行选择、加工、组织，遵循连续性、递进性和整合性的原则，同时教学内容组织要考虑逻辑顺序和心理顺序。根据实践，现将机器人课外教学的教学目标和教学内容、教学形式加以总结，如表1所示。
机器人课外教学组织模式
教学组织形式，就是教学活动中教师与学生的组合结构形式，或者说是教师与学生共同活动在人员、程序、时空关系上的组合结构形式。机器人课外教学因其灵活性、开放性、综合性的特点，给课外教学的组织增加了难度。但通过实践，逐步形成了以科技社团为载体、以社团组织课外教学活动开展为主线、以充分盘活资源为核心、以科技竞赛为动力的师生互联全员互动的机器人课外教学组织模式。机器人课外教学组织模式如图1所示。
（一）机器人课外教学组织模式发展溯源
我们的研究最早从1996年开始，引进了日本机器人教育的先进经验，结合我国的具体国情，在机器人教育方面进行了探索，并取得了一定的经验，成功地组织了多届大学生小型机器人设计和制作比赛。将机器人教育与教学改革相结合，完成了全国职业技术师范教育委员会“九五”教育科学研究课题“电类专业现代职业技能开发一增设‘小型机器人设计和制作’的教学内容”项目的研究工作。
我们以“小型机器人设计与制作”为课题，组织自控、机械、电子、计算机、工业设计等专业的教师组成跨学科的指导教师小组，吸收以上专业大学三年级以上的学生参加，进行毕业设计改革试点。同时，在制作多台不同结构和功能的教学用智能机器人的基础上，按照低成本、模块化、系统集成的设计思想，研制了多种通用机器人设计和制作的标准化模块及多种传感器模块。系统采用开放式结构，根据设计任务需要，学生也可进行特定的模块设计。学生在教师的指导下进行系统模块配置，模块设计，机器人结构设计安装、制作、调试、模块软件编程等环节的学习，设计并制作小型机器人进行比赛。
此项教育改革将机器人教学与第二课堂相结合，利用学生的课余时间延长毕业设计时间，提高了毕业设计课题的综合性。该项学生毕业设计的研究成果在第五届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技竞赛中获科技制作类一等奖。
1997年，我们成立了电子工程师摇篮协会，组织开展电子竞赛等科技活动：1999年，成立了机器人俱乐部，自主研制机器人模块化设计开发平台和各种机器人功能模块，致力于机器人开发和研究，同时不断研究和设计适合中国国情的比赛规划。在星火创业协会成立后，以上三个学生科技社团合并成立了大学生科技实践中心，开展各项课外科技活动。
（二）机器人课外教学组织模式的形成
层层选拔，循序渐进课外科技活动的实践证明，科技社团是机器人课外教学实践的重要载体。科技社团与活动开展的思路逐步形成：电子工程师摇篮协会负责组织机器人相关培训、讲座、参观等，进行机器人现成产品研究（包括实验、验证等），并通过小型科技竞赛选拔学生到机器人俱乐部，开发机器人模块化设计平台，自主设计与制作机器人。同时选拔学生到专家实验室、研究所参与机器人相关课题研发，并参加全国的机器人大赛。坚持循序渐进的教学原则，如模式图中的主线自下而上，对应的机器人课外教学的难度从低到高设置，为不同专业、不同年级、不同兴趣和特长的学生提供了多层面的选择空间和学习平台。科技竞赛成为选拔、培养学生的重要手段。在教师的全面指导下，学生通过活动、竞赛等进阶选拔，接触到从社团骨干到科技辅导员、从研究生到专家教授等多层面的辅导和培训，专业技能和综合能力逐步提高。
全员参与，分工协作资源是机器人课外教学实施的重要保证。盘活资源能有效保证机器人课外教学质量，有力提升资源效能，推动机器人课外教学的各项实践活动。人是影响教学质量的根本因素，教师在机器人课外教学中具有不可替代的作用。充分发挥教师作用的关键是全员参与。全员参与需要全体教师都能围绕“机器人课外教学”明白自己该做什么、怎样做、为什么这样做、如何做得更好。在实践中，学院领导带头高度重视课外教学工作，系统设计教学环节、教学模式，宏观指导机器人课外教学工作，同时提供机器人课外教学必需的专家、教授、科技辅导员等人力资源和实验室设备场地等资源的大力支持。我们在实践中率先设立了科技辅导员岗位，负责指导科技社团的各项活动，培养选拔科技人才，促进学生科技水平提升和综合实践能力提高。同时设立了班级实践委员，构建了以班级为依托的学生科技实践环境，改变了传统意义上的班干部结构，在班上设立了实践委员。实践委员负责在班里营造科技实践气氛，开展科技实践活动，推荐并协助选拔学生进入科技社团。实践委员对科技辅导员负责，接受科技辅导员的指导。同时，科技辅导员指导社团的骨干力量对班级的科技活动给予相应的支持和帮助。专家、教授不仅为科技社团做培训和讲座、指导学生参加科技竞赛，而且从科技社团选拔挑选学生参与实验室课题研发，安排研究生参与活动中，指导研究生与本科生互助，快速提高、快速成长。此外，还通过校企合作，引入西门子奖学金，用于举办应用创新类科技活动，并举办了“西门子杯”应用创新类学生竞赛。
机器人课外教学评价
教学评价，可简单定义为“对教学工作质量所作的测量、分析和评定”。机器人课外教学评价主要包括：对机器人课外教学过程的评价，对机器人课外教学学生学习效果的评价，对机器人课外教学质量的评价。机器人课外教学评价可采取的方法有调查问卷、竞赛、项目制作、征答、观察提问等。机器人竞赛已成为机器人课外教学的主流方式，竞赛取得的成绩能对师生及教学起到巨大的激励作用，而竞赛中的不足能帮助诊断分析机器人课外教学中存在的问题，经反馈后予以调节、修正和改进。机器人课外教学评价有利于机器人教学实施和教学反思，但目前还有很多不完善之处，比如机器人课外教学评价体系和评价标准尚未确立，评价方法也需要进一步深入探索．
1 绪论
谷歌无人驾驶汽车是谷歌公司开发的全自动驾驶汽车，至今，谷歌公司共使用过7辆无人车，累计每辆车在路面行驶超过50万公里。谷歌无人驾驶汽车可以为乘客提供最方便的搭乘体验。无人车会根据乘客的需要自动启动，乘客只需在车上的导航系统输入目的地，无人车便开始执行任务。
爬墙机器人不同于无人车和无人机，却处于两者之间。虽然不能在天上飞，但也不满足只能平地上行走，它可以毫无压力地在陡峭的坡上行走，90度甚至180度斜坡。
2 设计思路与方法
2.1 设计目标
现有的爬墙机器人技术虽然尚未成熟， 2015年12月30日，迪士尼研发部了一款能以比较快的速度爬墙的机器人，起名为VertiGO。本设计以VertiGO为原型，参考了其爬墙原理和设计方案，能够完成在平地行走，自动翻墙，在90度的墙上行走等动作。
2.2 车体设计
本作品采用的推压式爬墙机器人的原理，参考VertiGo的车身设计，车体由以下零件构成：
车身底板×1;舵机支架Ⅰ×2;旋转环支架×4;旋转环×2。
2.2.1 选材
车体作为本作品最大的主体，要考虑的因素主要有以下两点：
(1)重量轻。在这有限的动力下驱动爬墙车，车体在重量上毫无疑问就要足够的轻。
(2)韧性好。考虑到调试阶段爬墙车虽然在较低的墙面上测试，但不可避免会出现滑落或者意外情况摔落地面。此时韧性好的车身可以有效地降低爬墙车摔坏的风险可能性。综合考虑选取了铝合金板材。
2.2.2 车体设计步骤
车体设计采用自上而下的方法。具体可描述为三个阶段：第一阶段是确定车体形状，在车身上安装4个支撑电机螺旋桨的支架让电机和螺旋桨原有的高度上架空;第二阶段是在车体的形状确定之后，很容易就能把车体分为5个部分：车身、旋转环支架、旋转环、电机支架和轮子;第三阶段是应用Solidworks软件的零件设计功能，把各零部件在软件上建立模型。然后利用软件的装配图设计功能把各零件模拟装配起来，完成车身零件的设计。最后在软件内自动生成为CAD工程图寻找合适的商铺完成定制。
2.3 Solidworks软件简介
Solidworks软件是Solidworks公司开发的世界上第一个基于Windows的实体模型设计系统。软件主要有三个主要设计功能。分别是零件设计功能，装配图设计功能和工程图设计功能。在工程图设计功能中，用户可以把设计好的零件直接生成工程图，图纸可以兼容现在主流的设计软件，例如AutoCAD、3DMAX等，直接应用在生产上。
2.4 关于单片机
单片机亦称单片微型控制器，是一个微型计算机，也是爬墙机器人的大脑。设计者通过对单片机进行编程，令单片机产生多路控制信号，分别驱动爬墙机器人的电机和舵机运动，使机器人完成各种设定的动作。
爬墙机器人需要调节2个电机的速度，2个舵机的角度，计算爬墙机器人的速度和与上位机的信息交换。电机的速度主要由电调接受的PWM控制信号决定，舵机的角度也是由接受的PWM信号决定。最后综合多方面的因素选择了STC15W4K32S4系列单片机。
3 物理模型
本设计的爬墙机器人功能主要有：
(1)平地加速运动;
(2)平地减速运动;
(3)平地匀速运动;
(4)90°翻墙动作;
(5)90°墙面稳定不动;
(6)90°墙面运动。
动作的设计方案主要依靠2个电机螺旋桨的配合完成，设定一端电机螺旋桨为提供动力，另一端电机螺旋桨为调整动力。为了各零件调试成功，在实现以上功能之前必须测试以下参数。爬墙机器人的质量m，电机螺旋桨的最大推力F，爬墙机器人在运动中速度与阻力的关系。经考虑，为了方便得出速度与阻力的关系，可以设定电机螺旋桨在垂直车身施加的力保持不变，阻力F简化为以下关系，F运动阻力=kv。
4 结论
本文在根据推压式原理，在迪士尼爬墙机器人VertiGO的基础上，建立合适的物理模型和设计方案，设计了一个以STC15W4K32S4单片机为控制基础的爬墙机器人。爬墙机器人作品能够完成平地加减速和匀速运动，90°翻墙动作和在90°墙面上移动等基本动作。
作者简介
关键词：“变形金刚”机器人；设计；实现
0 引言
随着机器人技术不断发展，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有的领域，使人类的生活发生了显著的改变。
美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。第一台可变形机器人样机就诞生于1988年，由美国卡内基・梅隆大学机器人研究所研制的可重构模块化机械手系统（RMMS）。自此，变形机器人系统不断完善，各种可变形机器人层出不穷。
我国在某些关键技术上有所突破，但未掌握整体核心技术，具有中国知识产权的变形机器人较少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20 世纪80 年代初的水平。特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。总而言之，国内产业缺乏可变形机器人的制作技术。
综合国内外机器人的发展状况，可见机器人的研究已经取得了一定的成绩。但是，由于某些机器人因机械结构的限制，很难适应工作环境和任务的变化，因此迫切需要一种能够灵活地根据周围环境调整运动姿态的机器人，以适应更为复杂的任务。
变形机器人是机器人领域中新兴起的一个研究方向，同时也是当前机器人学研究领域的一个热点和难点。变形机器人又称可重构机器人，是一种具有较强环境自适应能力的机器人，它可以根据环境变化和任务要求而改变自身的构形来完成不可预知的作业任务。目前已经开发的变形机器人系统根据其能否实现自动重组，一般分为两类：静态变形机器人和自变形机器人。但目前这两种机器人大多还处于原理样机研究阶段，其移动与变形速度比较缓慢。本项目所设计的变形机器人，由许多功能简单并具有一定感知能力的模块机器人有机联接而成，有效地解决了上述机器人移动和变形速度缓慢的问题。变形机器人通过变形获得不同的形态，实现机器人在不同的环境情况下采取不同的运动步伐或机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而呈现一种新的作业构形，以适应环境的要求，从而发挥不同的作用。
1 “变形金刚”机器人的设计
本项目对变形机器人进行合理的优化，在保证机器人整个拓扑连接关系不发生变化的前提下，通过机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而重新呈现一种新的作业构形，完成给定的任务。其次，通过汲取美国孩之宝公司推出一系列级别的变形金刚玩具构思，改进本项目变形机器人的形态和构形的整体协调运动形式。最后，通过3D-MAX等三维图解对机器人在变形过程中进行形象的运动过程进行分析，为机器人的设计与实现提供了实质性的参考依据。
1.1 机器人的结构设计
变形机器人的设计不同于一般人形机器人的设计。为了实现人形状态的完备功能，机器人的构型需要依照人类运动关节的构造而设计。本项目变形机器人采用了19个舵机实现其完整的功能。首先是变形机器人人形基本结构的设计（如图1）。腿部由10个舵机来实现人形的基本功能，保证变形机器人处于人形状态下能够自由行走，并且能够实现劈叉、侧走等多个功能。手部应用了6个舵机，能够实现手部的前举、上举、侧举等功能。另外是头部的设计。在变形机器人处于人形状态时，用舵机替代变形机器人的头部，而头部的挡板转至胸前，作为机器人的胸板；在变形机器人处于车型状态时，挡板转动覆盖住头部舵机，作为机器人车型的车头结构。为保证车型机器人（如图2）的实现，在机器人膝关节处加装了一对360度舵机并配有防滑轮作为主动轮，而在机器人的肩部加装了一对防滑轮作为从动轮，由主动轮带动从动轮实现机器人的自由前进。同时，在变形构型设计上既要考虑在变形过程中模块间的碰撞、一次结构改变的步数以及确保模块集合可以到达必要的位置，又要精确设计车型四轮的安装位置，以及其他构型对其变形过程所造成的影响。
图1 机器人人形结构设计图
图2 机器人车型结构设计图
1.2 机器人的运动模式及运动姿态设计
本项目机器人变形过程中，脚踝上360度舵机、膝盖舵机、腰部舵机照指令旋转，促使变形机器人身体部位前倾，根据惯性，机器人身体部位向前转动落于腿部、腰部部位接触地面、腿部呈现折叠状态。这时，变形机器人腿关节处装有的车轮便与地面接触，使其变成车型机器人的车轮，从而实现人形到车型的状态。接着，根据指令，轿车形态的机器人开始运动。
在实现轿车形态与双足形态的转换时，利用机器人的车门即手来做定点支撑，腿部伸直，脚板贴地，利用舵机的力度，使机器人缓缓撑起，从而得到双足的状态。（如图3）
图3 机器人变形过程图
2 “变形金刚”机器人的实现
变形机器人所有模块的运动都基于一套几何学的原理，并通过程序算法控制机器人的运动动作，实现机器人能够在不同的地面和环境情况下采取不同的运动步伐或机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而呈现一种新的作业构形。采用通用的权限算法和操作步骤，支持变形机器人处于双足状态时具备人形机器人舞蹈、格斗、行走等多种功能。
2.1 机器人基本部件
本项目所涉及的变形机器人采用舵机来实现机器人各部件的衔接，其中腿部为串联机构，共有12个舵机，单条腿上由5个180度舵机和1个360度舵机组成，具有6个自由度、6个旋转关节、4个轮子和多个连杆。
2.2 人形机器人转换成车型机器人
此转换过程是“变形金刚”的主要功能体现之处。机器人的驱动系统由左右2个电机构成，分别带动其对应的一侧车轮转动，从而实现机器人平台的前进、后退和转向等动作。车轮直径为200mm，正常行驶下采用轮式行进。机器人接收到操作员发出的信号，可以实现前进、转弯、后退等作业。当遇到高于轮子半径且低于250mm高的障碍时，通过前后腿协调摆动来实现越障；当遇到高于250mm的障碍时，可实现差速转向。轮腿之间的角度可以调节，进而调整机器人的横滚角，在遇到左右高度不同的地形时，可以通过调整轮腿之间的角度来保持机器人的平稳。
当机器人接收到无线遥柄发出的信号时，机器人从站立的姿势开始，机器人的头部、胸部关节舵机先收起，然后其腿部关节、腰部关节以及肩部关节舵机按照指令进行旋转，直到手臂盘旋着贴近背部，随之双膝弯曲，类似于“扎马步”。根据惯性，变形机器人的重心往前倾，在此过程机器人的2个驱动轮和2个滚向轮落地。再者，脚板处的舵机向上收起，呈现折叠状态，作为车型状态下机器人的尾翼。而位于身体一侧的手部挡板则作为“车门”，可以实现“车门”的打开与关闭等动作，此时，背部的挡板作为车身的主体部位。由此实现了人形机器人（如图4）到车型机器人（如图5）之间的转换。
图4 该研究项目机器人变形人形状态的结构图
图5 该研究项目机器人变形车型状态的结构图
2.3 车型机器人转换成人形机器人
车型机器人转换成机器人是变形机器人在实际操作过程中的一个重难点。其结构左右分别对称，主要由“头部”、2只“手”、2条“腿”和“身体”构成。其中，对可变形机器人的单腿串联机构进行了运动学分析，构建了可变形移动机器人腿部的运动学模型。在结构上，单腿是由5个舵机通过U形构件连接而成，使得机器人能够保持平稳和正常行走，甚至具备舞蹈、越障等能力；单手由3个舵机构成，能够向360度“伸手”，实现多种功能。在站起的过程中要充分考虑机器人重心的问题，使之在整个变形过程中找到平衡点。在实现轿车形态与双足形态的转换时，利用机器人的车门即手来做定点支撑，腿部伸直，脚板贴地，利用舵机的力度，使机器人缓缓撑起，从而得到双足的状态。
3 结束语
“变形金刚”机器人采用适当的优化方法确定最优的装配构形，通过机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而重新呈现一种新的作业构形，以适应环境的要求，完成各种给定的工作。“变形金刚”机器人是由许多功能简单并具有一定感知能力的模块机器人有机联接而成。变形机器人通过变形可以获得不同的形态，即通过人工操作无线手柄根据变化的环境和任务调整自己的结构，实现机器人能够在不同的地面和环境情况下采取不同的运动步伐或机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而呈现一种新的作业构形。变形机器人突破了单一形态机器人特定的运动方式的限制，直观具体展现不同形态机器人各自特征以及相互之间转换与衔接，更易理解机器人各关节运动对机器人动作运动的影响，其核心是智能技术。再者，机器人人车自由转换这一特点不仅可以完成不同性质的任务，还大大地节约了资源，降低了成本。
参考文献：
[1] 刘金国，王越超，李斌等.链式可重构模块化机器人变形机理与实现[J].农业机械学报，2005（9）：101-105
[2] 李斌，董慧颖，白雪.可重构机器人研究和发展现状[J].沈阳工业学院学报，2000（4）.
[3] 王永甲，可重构模块化机器人构型设计理论与运动学研究[D].南京：南京理工大学，2008：2-3.
[4] 刘明尧，谈大龙，李斌等.基于多Agent可重构机器人控制方法的研究.中国机械工程，2002（20）.
[5] 郑浩峻，汪劲松，李铁民.可重构机器人单元结构设计及组合特征分析[J].机械工程学报，2003（7）：34-37.
[6] Schmitz Donald，Khosla Pradeep，Kanade Takeo.TheCMU reconfigurable modulai manipulator system[C].Proceedings of the International Symposium and Exposition on Robots.1988，473-4
88.
[7] C.J.J.Paredis，H.B.Benjamin，P.K.Khosla. A Rapidly Deploya
在中国制造2050和工业4.0“机器换人”的大背景下，中国工业生产正由制造向智造转型升级。本文在铅蓄电池极板生产线中引入工业机器人，开发了一种极板搬运工作站，并进行了PLC控制系统的设计，大大提电池极板生产效率，实现自动化。
【关键词】
工业机器人；电池极板；搬运工作站
铅蓄电池是一种技术成熟且安全性能好的能源，工业和生活领域的发展，如低速电动车、通讯设备储能等都离不开铅蓄电池，尤其是电动车是减少大气污染的重要措施。然而在电池极板生产中，行业内规模化运作的企业主要还是依靠劳动力手工操作，特别是电池极板上下料搬运作业，其劳动工作强度大，员工搬运工作效率低下、同时铅粉污染危害健康人员的身体，影响工人的工作寿命[1]，其发展急需产业转型升级。在国外，工业机器人已经成为一种标准化的设备，形成了一些具有竞争力的著名公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、安川，德国的KUKA[2-3]，占领国际和国内市场上的大部分份额。在国内，工业机器人受制核心零部件和工艺原因，还在刚起步。目前有沈阳新松、广州数控设备有限公司、哈尔滨博实自动化有限公司等，在系统集成和核心零部件进行了相关的研究和突破，都有了相应的进展。同时国内也涌现了一大批以工业机器人集成技术为中心的公司，进行工业机器人的集成应用，引进国外技术结合实际生产，为制造业、快消行业等服务工作。工业机器人是一种能模仿人工操作，可编程和自动控制的高端智能装备，具有高自动化、柔性化，是中国实现工业4.0“机器换人”战略的核心，是“中国制造2025”战略的重要组成部分。在铅蓄行业，引入工业机器人，可以代替手工操作的同时可以大大提电池极板生产效率，确保生产安全和提高企业的效益[4]。因此，机器人极板搬运工作站的研究对铅蓄行业实现自动化及转型升级具有重要的现实意义。
1机器人极板搬运工作站的设计
目前工业机器人在生产中的应用，主要以机器人人工作站和机器人工作生产线的形式进行整合集成应用。搬运机器人工作站，它的主要工作任务针对重物、消耗人力大且动作简单重复的搬运和贮藏工作[5]，如机床上下料、堆料码垛，机床柔性线等。针对电池极板的几何特性分析和工艺要求，进行极板机器人搬运工作站的设计和实现。
1.1工作站工作原理机器人极板搬运工作站由搬运机器人、电池极板输送机、极板架和控制系统等组成。机器人工作站以工业机器人为工作核心，极板输送机和极板架都在机器人工作空间内，工作时，电池极板由极板输送机运送至输送机末端定位点，然后等待机器人抓取电池极板，机器人收到相应的传感器信号后，按照预先规划的路径到达极板位置，末端夹取执行器夹手对其进行夹取，然后按照规划轨迹搬运至极板架位置，将极板准确放置于极板架上，代替人工作业。
1.2工作站机器人选型衡量工业机器人的指标很多，有自由度、工作空间、定位精度及重复定位精度、承载能力及最大工作速度等。极板搬运工作站的机器人选型主要考虑以下几个重要指标：（1）自由度指标，它是衡量机器人运动灵活程度的参数，是衡量机器人的重要指标，自由度越多，机器人越灵活，一般地工业机器人的自由度为3-6个。（2）工作空间指标，它指的是机器人的工作范围，机器人腕部或者末端执行器能达到的最大范围，工作空间越大，机器人运动范围越大。在运动控制中，注意机器人的极限位置，注意抓取位置和极限位置的考虑。（3）承载能力指标，机器人在工作范围内任何位置能承受最大的载荷，取决于负载的质量、速度和加速度等，同时要考虑末端执行器的质量，故机器人承载能力是末端执行器和机械手抓取负载的总和还要大。（4）定位精度指标，机器人实际位置与理想位置之间的偏差，同时重复定位精度是考验一个机器人同一环境和条件下，重复若干次其分散的偏差值，机器人多次重复到相同位置的偏差越小，机器人的重复定位值越高。通过这几个指标，极板搬运机器人工作站可以选择工作空间大、承载能力强、定位精度高的6自由度工业机器人作为机器人工作的机器本体，设计相应的安装座，以它为中心来设计整个工作站的安装控件。同时，6自由度的机器人具有较高的灵活性，方便完成极板的抓取和实现复杂路径的轨迹规划。
1.3末端执行器的设计工业机器人末端执行器的设计一般是针对作用对象进行非标设计，它是机器人操作与目标对象直接接触进行工作，是机器人的关键部件，它可以扩大工作空间范围，提升工作作业能力具有非常重要的作用。有电磁式、气动式、机械式等，其中机械式夹取可以分为双指式和多指式，其中双指式又分为回转式和平移式。根据电池极板的几何外形，故末端执行器夹具可采用气动驱动的平移型二指手抓对其进行抓取，采用气动驱动具有响应动作快，灵活，动力清洁等优点，其平移范围必须大于极板的横向尺寸。
1.4电池极板输送机电池极板输送机由支架，输送链、输送槽、极板定位板等组成，其中输送链安装在机架的若干个链槽内。工作时，三相异步电动机带动主轴运动，然后链式传送机构对放置在其上面的电池极板进行传送。采用链式传动，启动时电池极板运行平稳，无打滑现象，其适用于远距离运输和恶劣环境等优点。
2控制系统
机器人极板搬运工作站电气控制系统主要的功能实现包括：①工业机器人示教、调试编程与自动运行等功能；②极板末端执行器气缸动作、传感器的信号传递，实现抓取；③工业机器、PLC和人机界面交互和参数的设置；④整个极板搬运工作站的实现。
2.1极板工作站控制系统组成极板搬运工作站的控制系统包括：①PLC控制系统；②机器人控制系统；③示教器。其主要系统采用PLC为控制核心，机器人控制器的I/O信号模块与PLC通信模块可以直接或者间接通信，电池极板输送链上的极板信号和极板末端执行器信号也是通过PLC然后传递给机器人，进行信号的传递。工作时，搬运机器人按照人工示教好的程序正常运行，同时受PLC的控制。（1）机器人示教器，机器人编程有离线编程和示教编程，示教再现是机器人编程应用较广的编程方式。工作人员观察产品生产的工艺流程，然后根据生产实践，对工业机器人的动作位姿、工作路径、运动参数和工艺参数进行调试，按照需要的任务要求完成机器人编程示教。整个编程过程中，机器人示教器是一个重要的编程设备，通过其对机器人进行控制。（2）机器人控制器其核心是多轴运动控制平台，实现对多轴机器人的关节伺服控制，同时又相应的机器人专用端口和机器人通用端口和PLC进行信息传递，同时设置相应的总线控制和以太网控制端口，方便与外部设备通讯。（3）PLC控制柜，其以PLC为控制核心，将机器人控制柜、传感系统、人机界面进行集成控制，整个搬运系统的实现主要依赖PLC的逻辑控制的调试与实现，具有非常重要的作用。
2.2控制软件设计机器人工作站的控制软件设计以PLC为中心实现。根据搬运工作站的工作原理，首先采用示教器对机器人进行轨迹路径规划，考虑机器人在搬运极板时所需的运动学和动力学性能，以最舒服的姿态来进行工作。将机器人进行轨迹示教完成以后，再根据机器人抓取执行器极板准备、极板到位、进行抓取、机器人进行搬运到极板架放置，放置结束后重新循环开始的整个过程，然后进行程序的设计和实现。整个系统程序的设计包括系统初始化、手动运行、自动运行、信号显示系统和系统复位。（1）系统初始化：当整个控制系统开机时，按一下初始化按钮，机器人搬运工作站所有的执行动作按照一定的先后顺序恢复到预先的原始位置，使机器人工作站处于准备运行状态，随时准备开始工作。（2）手动运行：机器人单机示教轨迹路径，完成路径的最佳规划，手动运行是用来对整个机器人各个功能块进行调试时的状态。通过手动运行模块，可以调试抓取执行器的开合动作，以此来进行极板的抓取力度调节。同时也可以实现抓取后整机联合运行调试操作，让机器人、末端执行器和极板输送架达到最佳状态。（3）自动运行：自动运行状态是整机连续工作状态，一旦参数都设置好后，正常情况下进入自动运行状态，搬运工业机器人能自动完成电池极板的抓取，搬运、放置循环工作，实现生产的自动化，可以通过按钮或者触摸屏上的启动开始，接受停止指令后停止。其程序的设计可以采用步进顺序控制，按照一定的生产流程来实现工业机器人极板的搬运工作。（4）信号显示系统和复位系统：通过信号显示可以观察系统的运行情况，可以观察其各功能状态，通过信号显示来判断程序运行的进度、状态以及极板的搬运数量。同时一旦出现故障，可以通过报警灯来提示故障问题，通过触摸屏显示系统快速找到故障点，并且可以通过相应的复位系统进行复位。
2.3人机界面设计人机界面的设计，主要通过触摸屏和组态来实现搬运机器人控制系统和人的人机交互，通过信息的交流来实现人对搬运机器人的控制。随着信息技术的发展，传统的纯按键操作平台逐渐被触摸屏所取代，可以克服接线繁琐、按钮多等诸多问题。同时，随着组态技术的发展，可以组建适合工业生产相应的控制系统界面，包启动、停止、循环、单机及数等功能，同时可以制作相应效果更好的系统界面。本文选取昆仑通态的触摸屏为人机交互界面，同时通过昆仑的MCGS组态软件集成实现机器人工作站的控制要求，根据机器人工作站功能及控制任务的要求，配置相应的对象定义，编辑属性和状态特征等，同时制作组态画面来显示状态信号和一系列的人机操作等。人机界面完成控制硬件与软件的联系，建立了操作人员与监控层的控制与沟通平台，在机器人搬运工作中方便灵活。
3总结
本文开发了一种铅蓄电池的极板搬运机器人工作站，该极板搬运机器人工作站可以实现极板输送、定位抓取、搬运、放置等功能，同时控制系统采用PLC和昆仑人机界面进行控制来实现整机的运行，其操作性高、性能稳定，从而代替人工实现极板的自动搬运，大大提高工作效率。
【参考文献】
［1］王贵民，马晓建，赵信正.蓄电池生产线极板上料装置[J].轻工机械，2014,3（32）：47-50.
［2］王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业发展技化发展战略[J].机械工程学报，2014,9（50）：1-13.
［3］顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化,2006,2:6-9.
［4］陈立新，郭文彦.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用[J].机械工程与自动化，2010,3：133-135.
