基于慧魚系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ;2中國電信集團(tuán)系統(tǒng)集成寧夏分公司，銀川 750021）

摘 要：本文以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，利用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一種智能機(jī)器人—循跡識別小車。小車采用慧魚智能接口板進(jìn)行控制，利用顏色傳感器進(jìn)行循跡，用直流電動機(jī)驅(qū)動，控制軟件為ROBO Pro。

關(guān)鍵詞：慧魚模型;機(jī)構(gòu)創(chuàng)新;循跡機(jī)器人

0 引言

慧魚創(chuàng)意組合模型是由德國發(fā)明家Artur Fisher博士于1964年發(fā)明的。它具有一般機(jī)械所具有的零部件，如齒輪、電機(jī)、電氣開關(guān)等，通過聲、光、電和輔助技術(shù)的配合，能夠模擬各種機(jī)械運(yùn)動和機(jī)械設(shè)備的自動控制，而且有比較真實(shí)的功能。可以培養(yǎng)機(jī)器人開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設(shè)了機(jī)器人學(xué)課程。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要有以下兩個方面。

（1）構(gòu)造全新的新機(jī)構(gòu)。這類創(chuàng)新設(shè)計(jì)也稱為機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)。

（2）對已有機(jī)構(gòu)進(jìn)行變異設(shè)計(jì)。這類創(chuàng)新設(shè)計(jì)也稱為機(jī)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)。要創(chuàng)造出一種以前人們從未見過的新機(jī)構(gòu)是一件非常困難的事，但是如果能從現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)一些尚未被人察覺的某些性能，并將其加以巧妙利用，就有可能創(chuàng)造出一種新機(jī)構(gòu)，這可能是當(dāng)今機(jī)構(gòu)創(chuàng)造發(fā)明的重要方法之一。

本文就是在原有的循跡機(jī)器人的基礎(chǔ)上，添加了一個夾持機(jī)構(gòu)，可以利用夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行取物。

2 設(shè)計(jì)過程

根據(jù)慧魚模型的特點(diǎn)，對于原有的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

確定機(jī)器人的任務(wù)要求，根據(jù)任務(wù)初步確定了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動形式、驅(qū)動方案和控制方案等。

2.1 行走部分

由于設(shè)計(jì)的是循跡機(jī)器人，考慮到機(jī)器人運(yùn)行的路面情況可能會很復(fù)雜，就采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，如圖1所示。這種移動方式支撐面積大、接地比壓小，同時(shí)由于履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性好。機(jī)器人兩側(cè)的履帶分別由一個帶有齒輪的直流電動機(jī)驅(qū)動。功率2.4W、額定轉(zhuǎn)速為400r/min。

2.2 避障部分

如圖2所示，由于慧魚創(chuàng)意組合模型中自帶有超聲波距離傳感器，因此將超聲波距離傳感器固定在機(jī)器人的正前方，用于機(jī)器人避障。距離傳感器反映機(jī)器人與障礙物的距離大小，測量距離約為4m，相應(yīng)的檢測數(shù)值以cm為單位在程序檢測界面顯示。將其直接連到智能接口板的D1或D2端即可。

2.3 循跡部分

機(jī)器人循跡的功能由軌跡傳感器進(jìn)行控制，可以找到白色表面的黑色軌道。傳感器距檢測表面應(yīng)為5mm～30mm，它包含兩個發(fā)射和兩個接收裝置，連接這個傳感器需要兩個數(shù)字量輸入端和9v電源端。

2.4 夾臂機(jī)構(gòu)

夾臂機(jī)構(gòu)由功率2.4W、額定轉(zhuǎn)速為400r/min的電機(jī)和開合角度為110o的夾持臂組成，可以夾持10克左右的重物。如圖4所示。

2.5 驅(qū)動方式

電氣驅(qū)動是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，以獲得要求的機(jī)構(gòu)運(yùn)動。由于具有易于控制、運(yùn)動精度高、使用方便、成本低廉、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動是最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。

3 總體控制程序

3.1 控制板連接線

在機(jī)器人系統(tǒng)中，連接線就是其神經(jīng)，它將輸入、輸出原件與主控器連接起來，起著傳遞信息的作用。為了保證機(jī)器人能夠正常運(yùn)行，質(zhì)量可靠的連接線是必不可少的。為了保證控制面板的整潔美觀，也防止散亂的連接線阻礙機(jī)器人的正常運(yùn)動，如圖5所示。

3.2 控制程序

慧魚智能接口板自帶微處理器，通過串口與計(jì)算機(jī)相連。利用慧魚系統(tǒng)自帶的ROBO Pro軟件，進(jìn)行編程，將程序由電腦輸入到控制板中，啟動程序，控制機(jī)器人的運(yùn)動模式。

3.3 藍(lán)牙控制

藍(lán)牙控制實(shí)際上就是把編輯好的程序在電腦上運(yùn)行，程序的編寫和自動控制一樣，只不過要分開來寫程序，這樣能更好的控制機(jī)器人的動作。藍(lán)牙控制存在弊端，在控制過成中存在運(yùn)動延遲，藍(lán)牙控制的范圍是0-5m，延遲時(shí)間為8s（實(shí)際測量所得）。在某些精確的測量和運(yùn)動中不能及時(shí)的停止或者改變速度，這有可能會損壞機(jī)器人或者不受人們的控制，造成不必要的麻煩。所以在實(shí)際應(yīng)用中最好不要用藍(lán)牙控制。

4 裝配圖

利用Soliderworks軟件，進(jìn)行實(shí)物圖的模擬仿真。

5 結(jié)束語

我們對已有機(jī)構(gòu)進(jìn)行變異設(shè)計(jì)，通過對相關(guān)機(jī)器人的研究，在行走機(jī)器人的基礎(chǔ)上加裝了一個機(jī)械手臂，可以通過事先編好的程序來控制機(jī)械手臂的開合、夾物、到指定地點(diǎn)、放下夾持物等一系列動作。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：谷鳳民（1971-），男，寧夏銀川人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，從事機(jī)械制造及其自動化研究。