一種機(jī)器人專用控制器的應(yīng)用★

張 磊，喬 棟，衛(wèi)瑞棋

（山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院， 山西 大同 037004）

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或者危險(xiǎn)的工作。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人。然而，現(xiàn)有的機(jī)器人專用控制器上缺少有助于提供不同類型或功能控制元件安裝區(qū)域及便于查找或維修電控元件的裝置，還有的機(jī)器人專用控制器上缺少有助于各種功能的箱體導(dǎo)線接頭快速連接的裝置，不能滿足實(shí)際情況的需求。

1 機(jī)器人專用控制器的設(shè)計(jì)

擬設(shè)計(jì)的機(jī)器人專用控制器，包括控制箱、連接座、中轉(zhuǎn)箱和設(shè)備箱，控制箱連接分配箱，分配箱與中轉(zhuǎn)箱通過接頭器套相連接，連接座位于分配箱左端。

作為本設(shè)計(jì)的優(yōu)選技術(shù)方案，所述接頭器套上設(shè)有螺紋和導(dǎo)向槽，螺紋為細(xì)牙螺紋，導(dǎo)向槽位于螺紋的兩側(cè)，導(dǎo)向槽內(nèi)設(shè)有耐磨涂層，耐磨涂層的端部設(shè)有限位柱；中轉(zhuǎn)箱上設(shè)有卡緊組件；設(shè)備箱內(nèi)設(shè)有防銹涂層，防銹涂層上設(shè)有阻燃涂層，阻燃涂層上設(shè)有包裹層，包裹層為高分子聚合物膜。

現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，操作人員首先將裝置整體安裝到合適位置，再將裝置整體固定；其次，將不同類型或功能控制元件和便于查找或維修電控元件分別安裝在控制箱、中轉(zhuǎn)箱、設(shè)備箱和分配箱內(nèi)；最后，將各種功能的箱體導(dǎo)線接頭通過連接座、接頭器套和卡緊組件快速連接，即可進(jìn)行機(jī)器人控制元件安裝工作。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本設(shè)計(jì)的有益效果：通過設(shè)置控制箱、中轉(zhuǎn)箱、設(shè)備箱和分配箱有助于提供不同類型或功能控制元件安裝區(qū)域及便于查找或維修電控元件。通過設(shè)置連接座、接頭器套和卡緊組件有助于各種功能的箱體導(dǎo)線接頭快速連接，且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

具體實(shí)施方式：為了使本設(shè)計(jì)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，結(jié)合圖1及實(shí)施例，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅僅用以解釋本設(shè)計(jì)，并不用于限定本設(shè)計(jì)。

圖1為本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)有一種機(jī)器人專用控制器，包括控制箱1、連接座2、中轉(zhuǎn)箱3和設(shè)備箱4。設(shè)備箱4內(nèi)設(shè)有防銹涂層，防銹涂層上設(shè)有阻燃涂層，阻燃涂層上設(shè)有包裹層，包裹層為高分子聚合物膜，控制箱1、中轉(zhuǎn)箱3、設(shè)備箱4和分配箱5有助于提供不同類型或功能控制元件安裝區(qū)域及便于查找或維修電控元件。

控制箱1連接分配箱5，分配箱5與中轉(zhuǎn)箱3通過接頭器套6相連接，連接座2、接頭器套6和卡緊組件7有助于各種功能的箱體1導(dǎo)線接頭快速連接，接頭器套6上設(shè)有螺紋和導(dǎo)向槽，螺紋為細(xì)牙螺紋，導(dǎo)向槽位于螺紋的兩側(cè)，導(dǎo)向槽內(nèi)設(shè)有耐磨涂層，耐磨涂層的端部設(shè)有限位柱，連接座2位于分配箱5左端，中轉(zhuǎn)箱3上設(shè)有卡緊組件7。

現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，操作人員首先將裝置整體安裝到合適位置，再將裝置整體固定；其次，將不同類型或功能控制元件和便于查找或維修電控元件分別安裝在控制箱1、中轉(zhuǎn)箱3、設(shè)備箱4和分配箱5內(nèi)；最后，將各種功能的箱體導(dǎo)線接頭通過連接座2、接頭器套6和卡緊組件7快速連接，即可進(jìn)行機(jī)器人控制元件安裝工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 基本情況

本項(xiàng)目研發(fā)的類人型智能格斗機(jī)器人是以北魏中期都城平成武士為主題背景設(shè)計(jì)而成，將類人型機(jī)器人與體感技術(shù)組合的新型機(jī)器人，它充分利用和發(fā)揮了類人型機(jī)器人的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互動(dòng)的發(fā)展。該功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)在于精巧而獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的動(dòng)作控制驅(qū)動(dòng)。對(duì)機(jī)器人而言，關(guān)鍵在于機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)出來的主要功能是完成激烈的格斗表演。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，利用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和舵機(jī)控制板控制來實(shí)現(xiàn)格斗動(dòng)作表演，根據(jù)體感模擬器的指令，設(shè)計(jì)的具有人體功能、模擬格斗動(dòng)作的新型類人型機(jī)器人“平城武士”，參考人體的結(jié)構(gòu)完成基本動(dòng)作：可以前進(jìn)后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎，低姿行走和高姿行走躲避攻擊，也可進(jìn)行簡單的格斗動(dòng)作行走頻率為每秒兩步，舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動(dòng)作靈活、并具備的語音功能。通過語音識(shí)別技術(shù)，可以與“平城武士”進(jìn)行簡單的人機(jī)對(duì)話。其足部采用類三角結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的抗壓效果，且穩(wěn)定性強(qiáng)。

2.2 特性說明

1）運(yùn)動(dòng)性能。機(jī)器人應(yīng)該具有較好的機(jī)動(dòng)性和靈活性，能夠平穩(wěn)快速的完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，此外要確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，避免出現(xiàn)翻倒的情況。

2）堅(jiān)固性。在機(jī)械設(shè)計(jì)上，應(yīng)使機(jī)器人具有較好的堅(jiān)固性，在機(jī)器人做舞蹈動(dòng)作或行進(jìn)過程中，各種接插件不能松動(dòng)、脫落。

3）可靠性。由于機(jī)器人控制系統(tǒng)元器件眾多，有來自各方面的干擾，這些干擾對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件線路和軟件程序設(shè)計(jì)都提出了一定的要求。

4）可維護(hù)性。對(duì)于一個(gè)裝置而言，可維護(hù)性是十分重要的。維護(hù)應(yīng)該包括硬件維護(hù)和軟件維護(hù)。因此在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮便于安裝拆卸、調(diào)試檢測(cè)；軟件上采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便于測(cè)試、升級(jí)。

5）經(jīng)濟(jì)性。選用合適的控制方案，選用性價(jià)比高的功能器件，既滿足系統(tǒng)的功能要求，又可以節(jié)約成本。從以上分析可以看出，在機(jī)器人的體積和重量受限的前提下，要設(shè)計(jì)具有上述功能的機(jī)器人，其關(guān)鍵在于采用高集成度、微型化技術(shù)和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

6）技術(shù)普及化。制作詳細(xì)的教程，出售散件，把相關(guān)技術(shù)簡單化，便于學(xué)習(xí)和普及。

2.3 方案介紹

目前國內(nèi)外類人型機(jī)器人的研究是獨(dú)立進(jìn)行的，并未進(jìn)行組合研究。平城武士格斗機(jī)器人是將類人型機(jī)器人與體感技術(shù)結(jié)合在一起的格斗機(jī)器人，外觀采用3D打印材料，機(jī)身由鋁合金板材、不銹鋼薄片、舵機(jī)、控制器及其支架等材料設(shè)計(jì)完成。新型機(jī)器人“武士”的設(shè)計(jì)，是充分的利用和發(fā)揮類人型機(jī)器人和體感技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。該功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧而獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的控制器驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了類人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

平城武士格斗機(jī)器人有自動(dòng)、遙控和人機(jī)互動(dòng)三種操作方式。自動(dòng)模式可以將預(yù)先編寫好的動(dòng)作程序通過控制器向機(jī)器人發(fā)送指令，使其跟隨音樂自主表演；遙控模式可以由用戶通過手柄向機(jī)器人發(fā)送指令從而讓其做出相應(yīng)動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)高、中、低姿態(tài)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等；在互動(dòng)模式上，采用體感技術(shù)，進(jìn)行完美的人機(jī)互動(dòng)。三種模式可以根據(jù)需求隨意切換，方便并富有樂趣。

從技術(shù)的角度來看，采用交互方式，有別于目前主流的按鍵（鍵盤鼠標(biāo)，遙控器等）和觸摸（平板、智能手機(jī)等）交互方式，在很多科幻片里面，都可以看到體感交互技術(shù)的展示，如《少數(shù)派報(bào)告》中的經(jīng)典片段。這項(xiàng)技術(shù)能夠帶來全新的體驗(yàn)，能夠完成其他技術(shù)無法完成的。體感技術(shù)可使機(jī)器人自然地與周邊的裝置或環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，這種交互方式顯然要比按鍵交互和觸摸交互更加有優(yōu)勢(shì)一些。但是其特點(diǎn)并不是為了替代前兩者而存在的。它能夠更容易的被人們使用，接受并掌握，這樣才有利于它的普及。這就要求對(duì)體感技術(shù)交互技術(shù)提出了更高的要求，對(duì)其準(zhǔn)確性、智能性要求更高。

3 結(jié)論

1）本設(shè)計(jì)涉及一種機(jī)器人專用控制器，包括控制箱、連接座、中轉(zhuǎn)箱和設(shè)備箱，有助于提供不同類型或功能控制元件安裝區(qū)域及便于查找或維修電控元件。

2）設(shè)計(jì)一中類人形機(jī)器人，獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的控制器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)體感互動(dòng)。