機器人的機械設計精選(九篇)

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第1篇：機器人的機械設計范文

關鍵詞：機器人；語音技術；人機交互；寫字技術

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0021-03

機器人一直是國內外研究的熱點，其中教育機器人則是以激發(fā)學生學習興趣、提高學生綜合能力為目標，它在豐富兒童童年生活的同時，激發(fā)了兒童對科學技術的好奇心和求知欲。目前，國內已出現了機器人寫字相關技術的研究。陳雪華、張學文等人對四自由度寫字機器人做了詳細的研究，并對其控制系統設計、軌跡規(guī)劃、運動學仿真進行了詳細的分析；宮曉博利用IRB140型機器人做了漢字繪制的研究；但將機器人寫字技術與語音技術相結合的研究并不多見。漢王科技推出的“雙槍筆”利用語音技術實現了當使用者對著麥克風朗讀，相應文字就會自動錄入電腦，但這一技術卻沒能實現書寫過程的展示。文章主要闡述基于語音技術的早教寫字機器人，通過x、y、z三自由度機構帶動筆的運動來展現書寫過程。語音控制技術強化了人機交互功能，使得機器人更加人性化。

1 系統總體設計

圖1 系統總體設計框圖

系統是基于語音技術的早教寫字機器人。該機器人能按照使用者的語音命令，驅動其寫字機構運動——帶動上面的常規(guī)繪圖筆，完成10以內的算術運算的書寫。系統是典型的機電聲技術相結合的輪式結構機器人，由STM32F103作為主控芯片，系統按功能由車身驅動部分、寫字部分、語音處理部分、電源模塊和顯示器、播放器等輔助設備組成。系統總體設計框圖如圖1所示。系統由24V，3A的開關電源供電。機械結構包括車體和寫字機構。車體采用四輪式，以安裝于后輪的兩個直流電機作為驅動；寫字機構放在寫字板上，一同置于車體中層；在車前方安裝了三個互成一定角度的超聲波傳感器用于避障檢測。

2 寫字機構設計

圖2 “十”字滑塊結構

寫字機構搭載在寫字板上，采用“十”字滑塊結構實現XY平面內的任意軌跡運動；曲柄滑塊機構實現Z方向的提筆、下筆運動。“十”字滑塊結構由導軌座、移動滑塊、寫字板、滾珠絲杠螺母副和步進電機等部件構成，“十”字滑塊結構如圖2所示。兩個步進電機作為原動機以驅動滾珠絲杠，分別安裝在寫字板的X軸和Y軸上。移動滑塊位于兩滾珠絲杠的交點處，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊上的繪圖筆實現沿x、y平面內任意軌跡的運動，從而實現繪圖筆對平面任意點的遍歷。曲柄滑塊機構用來完成Z方向的提筆和下筆動作，曲柄滑塊機構如圖3所示，它能將圓周運動轉換為直線運動，筆固定于滑塊上，通過舵機轉動控制曲柄的圓周擺動從而使滑塊沿Z方向上下移動。

圖3 曲柄滑塊機構

3 寫字功能的實現及寫字算法

該功能旨在完成10以內的算術運算。一個完整的算術運算由運算元和運算子構成，例如“3+6=9”。以下將運算元和運算子統稱為運算單元，不同的運算單元又由不同的直線、斜線、圓弧等組合構成。在XY平面，兩個57系列的步進電機帶動寫字機構運動。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。電機的驅動為TB6560驅動板，由于電機的步距角為1.8°，再經一定的細分后，定位將更加精確。

由STM32產生一定頻率、一定時間的PWM波使步進電動機完成相應的轉動，滾珠絲杠能將步進電機的旋轉角度轉換為繪圖筆相對于坐標軸相應距離的直線運動。當一個電機轉動而另一個電機不轉動的情況下，可完成橫線或豎線的書寫；當兩個電機同時轉動，完成斜線的書寫，斜線的斜率取決于兩電機轉動頻率差值；由于圓弧可看成由若干斜率不同的細小的直線段構成，雖然電機的轉動對時間是離散的，但電機的步距精度很高，可以實現圓弧的書寫。

以繪圖板左上角為坐標原點建立X-Y平面坐標系。設A（x1，y1），B（x2，y1），C（x3，y1），D（x4，y1），E（x5，y1）分別為書寫過程中五個運算單元的起始坐標。程序根據對脈沖的計數可定位出繪圖筆當前的坐標P（xp，yp），計算過程如下：

書寫第一個運算單元時，以A（x1，y1）作為筆的起始坐標。設定控制X軸向運動的電機的最小步距角為θ0，某段時間內微控制器輸出給X軸向電機的脈沖頻率為fxk，對應脈沖個數為nxk（k=1，2，3，...），則此時間段內該電機轉過的角度為θxp，有

（1）

設步進電機輸出軸半徑為R0，則筆的當前X軸向坐標為xp，有：

xp=x1+R0θxp （2）

同理，對Y軸向上的運動有：

yp=y1+R0θyp （3）

（4）

弧線的書寫是算法實現過程中較為復雜的部分，下面介紹從A點開始畫半徑為R的弧APn的算法實現過程。如圖4，將圓若干等細分后每部分弧線均可看做直線，且對應的圓心角為α°。設筆已經完成了弧APn-1的書寫，弧Pn-1Pn近視等效為直線Pn-1Pn，此時：

（5）

（6）

將xPn-1，xPn的值分別代入式2中的x1、xp，聯立式1和式2，即可求出書寫弧Pn-1Pn這一過程中X軸向電機接受單片機輸出脈沖個數nxk。同理可求出yxk。

當完成一個運算單元的書寫，滑塊上的舵機完成Z方向提筆，接下來需完成由上一個運算單元的結束位置（x'p，y'p）到下一個運算單元的起始坐標（xk，yk）（k=2，3，4...）后落筆的動作，然后書寫下一個運算單元。

圖4 畫弧示意圖

4 機器人驅動及避障的實現

系統利用兩個差速電機提供動力，采用L298作為此電機驅動。為解決單個超聲波的檢測不準確的問題，系統使用3個超聲波傳感器，通過計算出最小盲區(qū)和最小干擾范圍，設計出合理的超聲波傳感器擺放位置。超聲波測距的公式為：

L=C×T （7）

式中L為測量的距離長度；T為超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔的一半；C為超聲波在空氣中的傳播速度，計算公式為：

C=C0+0.607×T℃ （8）

C0為零攝氏度時的聲波速度332m/s，T為環(huán)境當前的攝氏溫度，這樣補償了溫度變化對于超聲波傳播速度的影響。

系統依靠3路超聲波進行距離測量，得到3個方位的距離數據后進行判斷，當距離小于最小避障距離30cm后，底盤上兩直流電機形成差速使機器人避障。具體策略如表1所示：

表1 超聲波避障策略

傳感器編號 策略

左 中 右 左轉優(yōu)先

0 0 0 前進

0 0 1 左轉

0 1 0 左轉

1 0 0 右轉

0 1 1 左轉

1 0 1 后退

1 1 0 右轉

1 1 1 后退

注：圖示：1.進入避障范圍；0.不在避障范圍

5 語音控制技術

語音控制技術包括語音識別和單片機控制技術。

系統采用以IC公司LD3320語音芯片為核心的ASR（Automatic Speech Recognition）模塊，實現語音識別功能。系統通過穩(wěn)定的算法可完成非特定語音識別，不需要用戶事先錄音和訓練。經測試，在口令觸發(fā)模式下識別準確率高達95%，非口令觸發(fā)模式下識別準確率可達70%；內置功放電路，麥克風、立體聲耳機和單聲道喇叭，方便與芯片管腳連接；用戶每次可設置50項不超過79字節(jié)的拼音串候選識別句。

語音控制框圖如圖5所示，圖中“LD3320與電路”實現將采集到的非特定語音信號轉化為數字信號，并與語音庫進行信號匹配，確定有用信息及信息內容，并通過串口將有效內容以十進制數方式傳遞給主控制器，主控制器控制執(zhí)行機構做出相應動作，同時MP3模塊發(fā)出提示音。

圖5 語音控制框圖

6 實驗驗證及總結

實驗證明，本系統能較好地實現早教功能；寫字機構運動穩(wěn)定、噪聲小，定位精度達90%，所寫字跡清晰，圓潤，書寫結果正確率達99%；語音控制方便、靈活，識別準確率高達95%。通過使用者與機器人的良好交互，機器人完成的書寫效果如圖6所示。

圖 6 寫字效果圖

參考文獻

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[7] 楊晶東，楊敬輝，蔡則蘇.基于多目標優(yōu)化的移動

機器人避障算法[J].上海交通大學學報2012，

（2）.

第2篇：機器人的機械設計范文

關鍵詞：人機工程；醫(yī)療器械；設計；

中圖分類號： S611 文獻標識碼： A

前言

隨著社會發(fā)展、技術進步、產品更新、生活質量與效率的提高, 人們更加注重醫(yī)療器械產品的方便、舒適、可靠、安全和效率等各種指標。很多進口醫(yī)療儀器也都提出了符合人機工程的設計，人機工程是研究人、機器、工作環(huán)境之間相互作用的學科。2012年1月18日國家科技部印發(fā)了《醫(yī)療器械科技產業(yè)“十二五”專項規(guī)劃》，指明“十二五”期間醫(yī)療器械產業(yè)的重點產品方向、重點布局任務和政策保障措施。規(guī)劃中將人機工程作為關鍵技術提出， “充分利用先進制造、微納技術、生物力學、人機工程、計算機科學等領域的最新進展，重點開展…等新型醫(yī)用材料的設計、制備、制造等技術瓶頸” ；“重點發(fā)展數字化醫(yī)療、醫(yī)學虛擬現實、人機交互設計、生物醫(yī)用材料加工與制備、精密制造、電磁兼容、可靠性設計等共性技術”。

醫(yī)療器械中人機工程學的特點

人機工程學的顯著特點是在認真研究人、機、環(huán)境三個要素本身特性的基礎上，將使用“物”的人和所設計的“物”以及人與“物”所共處的環(huán)境作為一個系統來研究。在人機工程學中將這個系統稱為“人- 機- 環(huán)境”系統。這個系統中，人、機、環(huán)境三個要素之間相互作用、相互依存的關系決定著系統總體的性能。醫(yī)療器械直接或間接地作用與人體決定了人機工程質量和使用的安全性。隨著科技的發(fā)展，醫(yī)療器械的內部結構和操作控制裝置變得越來越精準，可靠性也大大提高。而人的生理機能卻沒有多大進化，因此就需要對醫(yī)療器械進行人機工程學設計，使其適用人的操作，達到人機和諧統一。

人機工程設計理念在醫(yī)療器械設計過程中的應用

人的因素是人機工程設計的主要研究內容, 是人機系統優(yōu)化設計的核心。而醫(yī)療器械產品是與人體生命密切相關的特殊產品, 其人機工程設計比其他工業(yè)產品的設計更具有特殊性, 應該始終以人為中心進行設計。通過人機工程學的研究, 使醫(yī)療器械產品在滿足醫(yī)療功能要求的同時, 充分滿足醫(yī)患的各種需要,真正體現以人為本的現代設計理念。隨著人機工程學的迅速發(fā)展和廣泛應用, 必然會將醫(yī)療器械的設計水平推到嶄新的高度。

醫(yī)療器械產品在以人為中心設計過程中主要包括以下4 個環(huán)節(jié)：

（1）詳細說明醫(yī)療器械用戶的要求；

（2）醫(yī)療器械產品設計解決方案；

（3）根據使用性要求評價設計；

（4）理解并詳細說明使用的范圍。

醫(yī)療器械以人為中心設計應從工程的最初階段就開始，而且應該反復，直到系統符合要求。

圖1醫(yī)療器械以人為中心設計關系圖

實例分析以人為本的醫(yī)療器械設計理念

3.1 遙控胃腸x射線機設計考慮的因素

當設計普通的家用電器產品時，產品購買者就是產品的最終使用者。但是對于醫(yī)療設備而言，是由醫(yī)院的管理者來購買，由醫(yī)生和護士來操作，當然最終是由患者來接受治療。這意味著我們需要滿足3組顧客的需求，并且這3組使用者需要的和關心的優(yōu)先順序各不相同，作為設計師應該考慮各方面的因素。

3.1.1 醫(yī)院環(huán)境

首先是醫(yī)院自身的環(huán)境即物質環(huán)境。醫(yī)院里的任何產品都必須是無菌的，易于清洗、經得起可能使用的任何腐蝕性液體。在許多醫(yī)院里，醫(yī)療設備的體積通常都很龐大，對空間的需求很大。所以必須考慮醫(yī)院的門窗尺寸和天花板的高度，當然還要考慮這些設備可能占用的地面面積。設計師還需要考慮醫(yī)院的色彩系統，傳統醫(yī)院的色彩系統是白色或淺色系列。

3.1.2 醫(yī)療團隊

設計師需要滿足醫(yī)療團隊的要求：首先，顯示資料的電腦顯示屏和控制面板應當是清楚的。對于某些特定的設備，還需要考慮輻射問題，也就是說工作人員在操作時還需要穿戴防護服。其次，設計要考慮設備的照明條件，不同的照明條件會引起用眼疲勞，因為有時需要非常明亮的燈光以便操作，有時需要微弱的燈光來觀看熒屏。燈光持續(xù)地忽明忽暗會導致用眼疲勞。

3.1.3 患者

設計師在為患者設計時，實際上考慮的主要包括舒適、順暢的動作等?；颊弑凰腿胍慌_大型機器會有不安的感覺，有時還要伴隨著機器的抽搐、噪聲和不舒適。同時患者的動作也需要考慮在內，機器設備上不應有任何可能纏住或勾住的東西，這很重要。另外，避免不必要的輻射泄漏也應該是考慮的重點。在設計醫(yī)療設備時需要考慮患者、醫(yī)護人員和管理人員的利益。

3.1.4 心理反應

設計師在設計醫(yī)療器械時必須牢記上述非常實際的考慮。但實際上，這3組顧客更多的心理和情感的反應也非常重要。設計師試圖設計可以激發(fā)人們某些特殊反應的產品。如聽到醫(yī)院的管理者說設備的性價比很高，說這個產品易于安裝、維護和清潔（因此價格便宜），經過長年使用，外觀一直很好看。設計師想從醫(yī)療團隊身上看到醫(yī)療團隊不受身旁科學儀器的干擾，把注意力集中在病人身上。設計師還試圖讓產品具有直覺的操作方式，讓醫(yī)生和護士都覺得操作自然，就是說設備幾乎就是團隊的一部分，與醫(yī)護人員和諧工作，而不是各自為政。設計師希望醫(yī)療團隊對設備的運行速度感到滿意。同時也希望醫(yī)療設備的操作明確、感受良好、使用者不易疲勞。設計師也把空間占據和美學考慮其中，讓醫(yī)護人員覺得他們的工作環(huán)境舒適愉快。希望從患者也能感到安心和放心。

3.1.5 遙控胃腸X射線機設計創(chuàng)新點

在醫(yī)療器械行業(yè)中，特別是作為直接對病人進行診斷、治療的大型醫(yī)療器械，具有功能形態(tài)語義特征是很明顯的。它們的形態(tài)完全是圍繞對病人準確診斷及有效治療展開的。遙控胃腸X射線診斷機的形態(tài)由以下幾個部分組成。

(1) X線定位系統

(2) 診斷床:病人將躺在上面完成診斷,床面可以左右的運動。

(3) 定位控制系統 它由控制臺組成。

從這臺X射線診斷機可以看出,產品形態(tài)復合著多種功能語義,而這些語義是由醫(yī)療器械行業(yè)的功能特性所決定的,設計師不能離開這些功能來設計產品形態(tài)?？紤]患者、醫(yī)護人員和管理人員三者的利益確定了X射線診斷機的設計方向——人性化設計。這臺診斷機在造型設計上，盡量避免產品給人產生的笨重、粗糙、冰冷的感覺，使用一些平行的線條，還有圓弧過渡，使產品造型活躍又不失整體，從而緩解大型醫(yī)療設備給患者帶來的恐懼感，使患者感到安心和放心，體現了醫(yī)療設計的人文關懷。從人機工程學的角度設計電腦顯示屏和控制面板，使醫(yī)療設備的操作明確、感受良好、使用者（醫(yī)療團隊）不易疲勞。這臺診斷機易于安裝、維護和清潔，性價比高。

總結

綜上所述，醫(yī)療器械是一類特殊的產品,要求對人的心理和安全性以及易用性都要加強研究力度, 從人機工程的角度設計醫(yī)療器械, 需要考慮的因素又是多方面的。這些因素往往錯綜復雜, 需要在設計過程中, 從系統的、綜合的角度去考慮這些人的因素, 才能在醫(yī)療器械設計中充分體現人文關懷, 才能提高設計水平和產品的質量、提高產品的競爭力, 在市場中搶占先機。

第3篇：機器人的機械設計范文

[關鍵詞]： 人防工程 人防醫(yī)療救護站 地下車庫 平戰(zhàn)轉換措施

中圖分類號：E217 文獻標識碼： A

[Abstract]： for air raid shelters medical aid station electrical engineering

main design points， the transformation from peacetime to wartime construction

difficulties and put forward feasible measures to ensure the transformation， on

the eve of the war on time will be underground garage converted to civil air

defense medical aid qualified station.

[keyword]： civil air defense engineering and civil air defense medical aid

station underground garage transformation from peacetime to wartime measures.

長期準備、重點建設、平戰(zhàn)結合，是人防工程建設的重要方針。為了貫徹這一方針，就是要確保戰(zhàn)備效益的前提下，充分發(fā)揮社會效益和經濟效益。隨著人防建設配套完善，人防醫(yī)療救護站建設的數量歷年逐漸增多。對于平戰(zhàn)結合的人防醫(yī)療救護站，怎樣在設計中做好平戰(zhàn)使用功能轉換的技術措施，保證工程既能滿足平時使用功能，在臨戰(zhàn)前又能按時完成戰(zhàn)時使用功能，是目前人防各戰(zhàn)線參與者都應積極探索和實踐的課題。本文結合筆者在設計中碰到的工程案例的一些經驗及思考。對醫(yī)療救護站的設計及平戰(zhàn)結合轉換功能中電氣專業(yè)應對措施提出筆者的設想及看法。拋磚引玉，希望廣大同行提出寶貴意見，為我國人防建設事業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

一、設計要求及工程特點

《人民防空醫(yī)療救護工程設計標準RFJ005-2011》第1.0.4.（3）條規(guī)定：三等人防醫(yī)療工程（即救護站）戰(zhàn)時主要承擔對傷員的緊急救治。這一條明確規(guī)定了救護站的戰(zhàn)時功能和平戰(zhàn)結合設置作出了明確的要求。但在實際工作中，由于各種原因。救護站平時功能往往被定位于庫房或者汽車庫。針對這樣的實際情況，工程呈現以下特點：

1、配電系統設計要求不同。人防醫(yī)療救護工程戰(zhàn)時各級負荷供電應符合下列要求：戰(zhàn)時一級負荷，應采用雙電源，雙回路末端負荷側自動切換；戰(zhàn)時二級負荷，宜采取雙電源、電源側切換，專用回路供電；戰(zhàn)時三級負荷應采取電源供電，當由柴油電站供電時，應能自動或手動切除。而平時作為庫房，小容量的一級負荷和三級負荷宜采用放射式配電。這就導致戰(zhàn)時針對不同負荷要求供電的線路臨戰(zhàn)轉換要求高。

2、平戰(zhàn)使用功能完全不同，造成臨戰(zhàn)前工作量增大。對平戰(zhàn)轉換工作可靠性要求更高。醫(yī)療救護工程戰(zhàn)時使用的各類功能性房間多為小房間，如診斷室、化驗室、X線機室、心電圖B超室、貯血室、手術室、搶救室、治療室、病房等，而平時作為庫房，主要用于存儲一些雜物等。這類工程要完成平戰(zhàn)結合的人防工程都要進行的各人防人口部房間如濾毒室、除塵室、擴散室、防毒通道、密閉通道等，各類風、水、電管線等的臨戰(zhàn)轉換。

3、由于平戰(zhàn)轉換，給設備專業(yè)帶來大量的臨戰(zhàn)轉換工作。對人防電氣專業(yè)的設計提出了新的要求，例如平時的庫房照度低，而作為醫(yī)療用房間照度的要求高。一般庫房照明50lx，醫(yī)療用房的照度大多在200～300lx，手術室照度更達到500～750lx。怎樣將低照度的照明轉換到需要的照度？這是設計工作中應考慮到并提出可行的轉換措施。

二、平戰(zhàn)轉換措施

針對這些新特點，筆者在設計中總結經驗作了如下工作，使該類設計既滿足設計規(guī)范要求，又有切實可行的轉換措施指導工作。保證戰(zhàn)時功能的順利轉換。

（1）設計者不僅要熟悉人防專業(yè)相關的設計規(guī)范，還應熟悉有關醫(yī)療方面的設計規(guī)范，充分了解各種相關的醫(yī)療設備及各種功能房間對電氣專業(yè)的要求，做到心中有數。

（2）必須按人防醫(yī)療救護站的標準做完整的施工圖設計，各配電系統圖、平面布置圖的均應設計到位。在此基礎上分門別類、梳理出哪些需要一次性安裝到位、哪些是臨戰(zhàn)前安裝，哪些可通過平戰(zhàn)轉換分步安裝。提出來的平戰(zhàn)轉換措施一定要具體可行。在圖紙上標注清楚。其別要注意將所有穿過人防外墻、臨戰(zhàn)墻、防護密閉墻、密閉隔墻的各種電纜（包括動力、照明、通信、醫(yī)療用電設備等）管線在過墻處按規(guī)范及標準（05SFD10、07FD01～02等）要求預埋防護密閉套管，并且必須一次全部施工安裝到位。設計人員應將每處穿墻密閉套管的數量、規(guī)格、用途在平面圖相關位置標注清楚（圖1）。這項工作從設計到施行工都不允許出差錯遺漏，以保證臨戰(zhàn)前相關的各種電纜能順利敷設到各部位。

圖1 人防動力、干線平面圖

（3）在有局部等電位聯結（LEB）要求房間的相關部位墻上按要求預埋接地連接板（手術室、ICU室、X光機室、心腦電圖室、急救室、淋浴室等），便于臨戰(zhàn)前安裝LEB箱。暫無墻體處可在對應位置的底板上預埋接地連接板。臨戰(zhàn)前砌筑墻體后再安裝LEB箱。

（4）對于醫(yī)療專用的配電箱，如X光機室電源箱、手術室配電箱、化驗室配電箱等平時不用的箱盤，筆者認為可以在臨戰(zhàn)前才安裝，但各箱盤的設計一定要到位，例如手術室配電箱系統圖（圖2）。這里要注意為X 光機配套的電源開關箱應設在便于操作處，并不得設在有放射線的墻體上安裝。（JGJ16-2008第9.7.5.6條）。供潔凈手術室用電的專用配電箱不得設在手術室內，每個潔凈化手術室應設有一個獨立專用配電箱，配電箱處應設在手術室的外廊側墻內。（GB50333-2002第8.3.2.1條）。

圖2 手術室配電系統圖

（5）手術室屬2類醫(yī)療場所（JGJ312-2013表3.0.2），對各專業(yè)都有較高的設計要求，醫(yī)療規(guī)范對電專業(yè)的主要要求詳見附錄一。因手術室四面墻體及頂板、底板均有相關的電氣設備安裝，這些工作只能在臨戰(zhàn)前、墻體砌筑后才能安裝。設計中要做好這些設備構件的預埋，方便今后安裝。

（6）對于照明設計，筆者總結為：平時集中控制預留轉換條件，戰(zhàn)時分房間控制，按需要增加燈具，基本可解決集中與分散、低照度與高照度的矛盾。

小結

利用平時地下車庫轉換為人防醫(yī)療救護站、臨戰(zhàn)轉換工作量大，設計上有一定的難度，需要平戰(zhàn)統一協調，但只要勤于思考、精心設計、標注準確，對不同的工程特點 提出具體可行的平戰(zhàn)轉換技術措施指導施工。使地下車庫在臨戰(zhàn)前能按時轉換為滿足人防規(guī)范要求的醫(yī)療救護站工程。

附錄一

1 民用建筑電氣設計規(guī)范JGJ16-2008

（1）第10.8.6.9條：手術室內除應設專用無影燈外，宜另設有一般照明，其淘汰色溫慶與無影燈光源相適應。

（2）第12.8.6.1條：在2類醫(yī)療場所內，用于維持生命，外科手術和其它位于“患者區(qū)域”內的醫(yī)用電氣設備和系統的供電回路，均應采用醫(yī)療IT系統。

（3）第12.8.10.1條：在1類和2類醫(yī)療場所中，應安裝輔助等電位聯結導體，并應將其連接到位于“患者區(qū)域”內的等電位聯結母線上。

（4）第12.8.12條：手術室、搶救室應根據需要采用防靜電措施。

2 人民防空醫(yī)療救護工程設計標準 RFJ005-2011

表6.2.3規(guī)定：手術室用電負荷等級為一級。

表6.6.3規(guī)定：手術室照度為500lx。

3 醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范GB50333-2002

（1）第8.3.1.1條：潔凈手術部必須保證用電可靠性，當采用雙路供電有困難時，應設置備用電源。

（2）第8.3.1.2條：潔凈手術室內用電應與輔助用房用電分開，每個手術室的干線必須單獨敷設。

（3）第8.3.2.6條：潔凈手術室內照明燈具應為嵌入式密閉燈帶。

參考文獻：

[1]人民防空工程設計防火規(guī)范 GB 50098-2009 中國計劃出版社 2009

[2]人民防空地下室設計規(guī)范 GB 50038-2005 （限內部發(fā)行）

[3]民用建筑電氣設計規(guī)范 JGJ16-2008 中國建筑工業(yè)出版社 2008

第4篇：機器人的機械設計范文

【關鍵詞】 理性經濟人 社會人 民辦教育企業(yè) 員工管理 協調

引言

（1）研究對象描述

民辦教育行業(yè)在《民辦教育促進法》中可理解為“民辦非企業(yè)”性質，但其實際的運作中以企業(yè)的方式進行，因此本文將民辦教育機構稱之為民辦教育企業(yè)。民辦教育企業(yè)中的員工主要是大量教育工作者和行政人員，少部分后勤、安保等員工，前者的性質為掌握豐富知識、在工作上有獨特思路和訴求的知識性員工。在民辦教育企業(yè)出現到現在的二十多年的時間內，企業(yè)的創(chuàng)始人和投資者的眼光主要投向了招生、征地、基建、升級等硬件建設上，在各民辦教育企業(yè)激烈競爭的今天，其核心競爭力已經不是硬件的比拼，而是內涵的建設。

而民辦教育企業(yè)中的知識性員工，在投資者的重建設輕內涵的思路下，沒有得到應有的對待。同時，社會對其給予“社會人”的期望，自身又面臨生活成本以及管理者企業(yè)式管理，使得民辦教育企業(yè)中的員工處在“經濟人”和“社會人”的人性認同中困惑與掙扎，這對民辦教育企業(yè)的內涵建設帶來了巨大的障礙。

（2）應用現狀與評價

至今，學者們對于員工人性特征的研究主要集中在兩個階段。

“經濟人”研究階段：蘇格蘭的政治經濟學家亞當·斯密1776年發(fā)表了《國富論》，提出了“經濟人”觀點。在其著作《科學管理原理》中闡述了工作定額原理、標準化原理、能力與工作相適應、差別計件工資制等思想。這些思想將科學引入了管理領域，使生產效率提高了二三倍。但他把工人看成是會說話的“活機器”，工人勞動異常緊張、勞累；把工人看作是純粹的“經濟人”，認為工人的活動僅僅出于個人的經濟動機，忽視了工人的感情，引起怠工、罷工以及勞資關系日益緊張。

“社會人”研究階段：20世紀20年代以后，“經濟人”假設表現出很大的局限性，管理者開始注意到了“人”具有不同于“物”的許多特殊的方面，需要管理者采取不同的方式來加以管理。在這一時期做出突出貢獻的是美國管理學家梅奧，他的霍桑試驗成為跨時代的經典試驗，從此“情商”成為重要的管理資源，被稱為人際關系學說。主要觀點：工人是“社會人”而不是，“經濟人”，要滿足工人的社會欲望，提高工人的士氣；企業(yè)中存在著非正式組織。

2011年全國民辦高校企業(yè)在670所左右。目前高等教育毛入學率在27%，民辦高等教育貢獻4%-5%。民辦高校專任教師即知識性員工的數量近年迅速增長，2011年比2003年增長了2.1倍左右。但民辦教育企業(yè)仍存在“高入職，高離職”的狀況，這與整個企業(yè)管理體系中錯誤對待知識性員工角色認定和人性認定有很大關系

（3）本文目的

本文運用經濟學、管理學以及相關邊緣學科知識分析上述問題，提出①運用“理性經濟人”、“社會人”、“個性人”三者的協調來激勵員工②抓緊正負強化，拓展并構建寬泛的管理制度體系③滿足“個性人”需求，完善民辦教育企業(yè)的員工激勵體系。

1. 文獻綜述

1.1經濟人的思想淵源

經濟人思想承認利己為人的自然屬性，是本能的、先天的。又承認利他是人的社會屬性。在社會經濟生活中，利己與利他的關系一般表現為如下三種類型：主觀利己客觀利他，結果是互利；利己-利他-利己，借助利他手段達到利己目的；利己-損人-利己，通過損害他人利益達到利己目的，這種類型是斯密所否定的。

經濟人假定的思想淵源。在我國古代，最早公開提出以“利”字為其哲學綱領的是在晚周諸學派中的墨翟。墨子也時常提到義，但以利為歸依。認為利是社會倫理基礎，分辨義與不義要依據其行為，以利人與不利人為標準。

經濟人假定是商品社會的產物，普遍適用于市場經濟體制。自19世紀始，西方世界空前繁榮，盡管存在相對貧困，但人們的生活水平總體上上升到了前所未有的高度。經濟人假定盡管有科學合理性，但不是萬能的。

1.2我國古代人性假設理論的演變和發(fā)展

1.2.1性善論與“社會人”

早在兩千多年前，春秋末期思想家、政治家、教育家，儒學學派的創(chuàng)始人孔子（公元前551--公元前479）在他的在《論語·陽貨》就提到“性相近也，習相遠也?！敝祆洹墩撜Z集注》中說：“此所謂性，兼氣質而言者也。氣質之性，固有美惡之不同矣?！边@里的“性”雖然不完全指人的本性，而兼指人的天生氣質之意，但它卻隱含了人性本善的意思。

1933年管理學家喬治·埃爾頓·梅奧（George Elton mayo，1880--1949）在其發(fā)表的《工業(yè)文明的人類問題》一書中首次提出了社會人（Socialman）假設理論，并通過1927-1932年在美國芝加哥郊外的西方電器公司進行的著名的“霍桑試驗”得出結論：人是社會人，影響人生產積極性的因素，除物質因素外，還有社會、心理因素；生產率的高低主要取決于員工的士氣，而員工的士氣受企業(yè)內部人際關系及員工的家庭和社會生活影響；非正式組織的社會影響比正式組織的經濟誘因對員工有更大的影響力；員工最強烈期望在于領導者能承認并滿足他們的社會需要。所以，要調動員工的工作積極性，必須使員工的社會和心理需求得到滿足。

1.2.2性惡論與“經濟人”

我國戰(zhàn)國時期著名的思想家，先秦唯物主義的集大成者荀子（約前313-前238）在其《荀子·天論》中說：“好惡喜怒哀樂臧焉，夫是之謂天情”也就是說人的好惡、喜怒、哀樂是天生就有的，所以叫做“天情”。

美國著名行為科學家道格拉斯·麥格雷戈（Douglas M·Mc Gregor，1906～1964）在《在企業(yè)中的人性方面》一書中將這種人性假設概括為X理論。經濟人假設認為：人是由經濟誘因引發(fā)工作動機的；人總是被動地在組織的操縱、激勵和控制下從事工作；人總是企圖用最小投入取得滿意的報酬；大多數的人缺乏理性，不能克制自己，很容易受別人影響，組織必須設法控制個人的感情。荀子的理論與之即有共同點。

2. 提出問題

2.1“理性經濟人”帶來的雇傭意識和打工意識

民辦教育企業(yè)的知識性員工即教師的每年的流動率大概在10%到20%之間，總體呈現“進的多、走的也多”的現象。出于理性經濟人的考慮知識性員工會有如下表現：

2.1.1一些知識性員工把民辦教育企業(yè)當作一時的過渡，有些年輕教師碩士畢業(yè)后由于未找到合適的工作，選擇暫時呆在民辦高校，等考上博士或者找到理想的工作后再跳槽。

2.1.2不穩(wěn)定性與雇傭意識。外地教師往往受原單位政策或家庭因素變化的影響，隨時有“打馬回朝”的可能；離退休教師受年齡、體質的限制，工作周期短；兼職教師須經本學校同意并在完成本職工作任務的基礎上，方可兼課，因而也處于變動之中；同時，由于各民校之間的不正當競爭，以及經濟分配等原因導致不少教師的無規(guī)則流動。

2.1.3事業(yè)心不強與打工意識。來自于公辦高校的離退休教師覺得自己的輝煌時代已成歷史，年過六旬不必再把自己搞得太辛苦，夕陽的余輝熱量有限；外地不少教師往往產生“短幫工”思想。他們的工作積極性依賴于學按的經濟支付標準和管理者的領導藝術來調動。來自于對事業(yè)的忠誠、對社會的負責、對學生的熱愛而產生的內動力減少；兼職教師前文已經提到“兼”當然就不可能“全”，完成任務為其基本工作目標。

2.2“社會人”理念產生的管理效率問題

在民辦教育企業(yè)中，在內部管理中教育式管理往往較之企業(yè)式管理而占上風。作為高層知識性員工的教育CEO即校長往往以教育、感化、自由等難以量化的方式來管理知識性員工。工作的執(zhí)行程度與效率僅靠知識性員工的認識和自覺，工作效果的測量往往沒有一個量化的標準，且主觀性較強。

而面對民辦教育市場的激烈競爭，以及民辦教育企業(yè)外在企業(yè)化的運作，使得其不得不考慮管理效率的問題。于是，如何衡量和控制知識性員工在“社會人”管理背景下的效率，成了民辦高校企業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。

2.3游走于“理性經濟人”和“社會人”之間，使管理者無所適從

在知識性員工需求的低層次上，民辦高校企業(yè)可以發(fā)揮資源配置的優(yōu)勢，保障滿足員工的“理性經濟人”的需求。如在工資待遇、住房分配、職位級別等方面保證按勞分配、多勞多得、公平正義。這是最容易操作，也是民辦教育企業(yè)投資人最擅長使用的方式。

然而，民辦教育企業(yè)的員工為一類特殊的員工即知識性員工，其對“社會人”的需求也絲毫不亞于“理性經濟人”。知識性員工出產的產品是無形產品即學生的能力，其自身的高層次需求也是無形的，如尊重、歸屬感、自我實現等。在次反面，作為教育CEO的校長最懂得滿足其需求。

但民辦教育企業(yè)是董事會領導下的校長負責制，董事會負責企業(yè)外部管理，教育CEO負責內部管理。事實上已經是“管理上的兩層皮”了，再加之董事會與教育CEO在管理理念、行為方式、權力爭奪等方面的博弈使得整個民辦教育企業(yè)的員工管理處在“理性經濟人”和“社會人”之間游走的狀態(tài)，這很容易產生管理上的混亂和矛盾。

3. 方法與分析

3.1行為分析

ABC模型也叫做三維可能性模型，三維是：先前條件、行為、和后果。三維可能性模型指的是每一個行為都受它之前的環(huán)境、條件、和它產出的后果影響。

前提（ANTECEDENT）：先決條件，一些狀況，可以導致后面行為的信號等等。

行為（Behavior）：收到前提所刺激的反應行為，“前提”可以說是“行為”的“因”，而“行為”是“前提”的“果”。

結果（Consequence）：就是“行為”所產生的“結果”，而這個“結果”，又會成為下個“行為”的“前提”。如果，這個結果/前提是好的，那么特定的行為就會重復出現。

一般在分析的時候，會用一個表格來進行：

表1 三維可能模型

由表1的啟示可知，在對民辦教育企業(yè)知識性員工的管理中，管理者如果不期望員工打工意識和雇傭意識的出現，則要從員工出現此狀況的結果和前提入手。民辦教育企業(yè)給予知識性員工結果：知識性員工得到了什么；知識性員工沒有獲得什么。后者往往是造成其離職率高的原因。知識性員工出現兩種結果的前提：知識性員工期望得到什么。

于是，管理者只要抓住知識性員工期望得到什么，沒有得到什么這兩個問題深度挖掘，便是解決此問題的關鍵。

3.2強化理論分析

美國心理學家斯金納提出的強化理論認為人的行為是其所獲得刺激的函數。如果這種刺激對他有利，則這種行為就會重復出現；如果對他不利，這種行為就會減弱直至消失。強化可以分為正強化和負強化兩種。正強化就是獎勵那些符合組織目標的行為，以便這些行為得到進一步加強，從而有利于組織目標的實現。負強化指懲罰那些不符合組織目標的行為，以使這些行為消弱甚至消失，從而保證組織目標的實現不受干擾。

由此理論，民辦教育企業(yè)管理中，知識性員工的某些工作的效率難以衡量時，也無需精確的標準去衡量，管理者只需要給出正向引導并配合相應的獎勵使其朝著自己預期的目標前進。同時，給出負向激勵措施，即給出管理“底線”或“高壓線”凡是員工觸及此線則給予懲罰。正強化和負強化相互配合，達到“前拉后截”的效果，把對知識性員工的管理放在一個較為寬泛的范圍，這樣即達到了發(fā)揮知識性員工工作自由與自主的作用，又將難以衡量的工作制定了一般的衡量標準，從而達到提高民辦高校員工管理效率。

3.3“經濟人”、“社會人”、“個性人”綜合分析

本文認為人的特點不僅包括外部物質環(huán)境塑造的經濟人和后天社會環(huán)境培養(yǎng)的社會人，也包括先天帶來的個性人，是這三者的綜合。本文提到的個性人指的是人作為個體，在面對獨立處理的工作內容時，具有先天帶來的不同于別人的特點，包括獨立性、性格、氣質等特點。

經濟人與社會人并不矛盾，而且可以起到相輔相成的作用，經濟人保障了知識性員工的生活需要，社會人滿足了知識性員工歸屬感的需求，此二者可以同時滿足，只要相互保持各自的度就不會發(fā)生矛盾。個性人則實現了每個人不同于別人的特色，這種特色就是人的本色。滿足了知識性員工的個性人需求就做到了以人為本，這也是員工幸福感產生的源泉。

4. 研究結論

4.1“理性經濟人”與“社會人”的融合

經濟人的啟發(fā)

經濟人的理性：遵循經濟規(guī)律，力求收益最大化。對于民辦教育企業(yè)的管理者要認識到：

4.1.1經濟人表現出的是人的本能，不但不干擾人的正常經濟行為，而且還是經濟行為的基礎和動機。追求最大化滿足的欲望，使民辦教育企業(yè)合理投資、生產、交換、消費等等，也為知識性員工的“理性經濟人”需求的滿足奠定基礎。

4.1.2經濟人最求的利益最大化則是人的能力水平描述，是人思維行為的能力表現。它是中性的，無優(yōu)劣之分。

4.1.3理性經濟人是經理規(guī)律的體現，如果民辦教育企業(yè)不遵守理性原則，生產成本，不問價格，無論優(yōu)劣，則經濟規(guī)律就不復存在，民辦教育企業(yè)的生存就會出現危機。

由此可見，民辦教育企業(yè)在宏觀管理層面要最求“理性經濟人”理念，而且其本身應當做理性經濟人，這樣為企業(yè)生存提供保證。

4.2構建“控制兩邊，放松中間”的管理制度體系

運用強化理論。首先，民辦教育企業(yè)的管理者對員工的管理要將重點放在正強化的吸引和負強化的截止上。讓知識性員工消除教育管理和教育產品的無形、無法衡量和無邊無際的意識。在正強化和負強化之間則拓寬幅度，給知識性員工充分的發(fā)揮自我才能的空間，充分展示其特性，使其的價值真正體現，實現其受尊重、歸屬感、自我實現的需求。

4.3個性人的需求的滿足

知識性員工的“個性人”需求，其發(fā)揮作用的原因主要是通過不同于別人的特色來展現自我價值，實現自我。對于民辦教育企業(yè)要對員工實行人性化管理，表現為：

4.31重視與知識性員工情感的溝通

“人之相識，貴在相知；人之相知，貴在知心?！痹趯嶋H工作中，民辦教育企業(yè)的中層、高層管理者要做到“兩個結合”：一是把關心知識性員工的工作與生活結合起來。管理者必須深入了解知識性員工工作的適應程度，工作進展和任務完成情況。二是把關心其個體成長與團隊發(fā)展結合起來。從滿足知識性員工“自我實現”的需求出發(fā)，管理者必須把組織目標的實現與員工個體職業(yè)目標的實現結合起來。

4.3.2營造知識性員工發(fā)展的良好環(huán)境

民辦教育企業(yè)要根據知識性員工個人的興趣、特長和能力，為其提供能充分發(fā)揮才能的舞臺和機會，不斷創(chuàng)造條件，優(yōu)化知識性員工的工作、生活和學術環(huán)境。給其創(chuàng)造一種人文環(huán)境，滿足豐富知識、擴大視野的需要；創(chuàng)造一種學術環(huán)境，提供施展才華的機會，滿足提高學術水平，實現個人價值的需要；要創(chuàng)造一種相互尊重，充分信任，關心愛護的人際環(huán)境，使知識性員工置身于和諧、溫暖的環(huán)境中。同時協助解決知識性員工的住房、婚戀等方面的需求，使其感受到家人般的關懷。

參考文獻：

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[3]李愛娥，湖南信息科學職業(yè)學院，論民辦高校青年教師流失原因及應對措施.

[4] 鄧奎偉，淺談民辦高校教師人性化管理，成功·教育，2007-11-1.

[5] 李一龍，民辦高校教師流動頻繁問題有待解決，2010/09/07 00：00 來源： 北青網 北京青年報.

[6] 周敦耀.論人性假設.廣西大學學報（哲社版）[J]，2000（6）：1-8.

[7] 李曉春.試論荀子對告子人性論的繼承與揚棄[J]，孔子研究，2002（4）：29-36.

第5篇：機器人的機械設計范文

【關鍵詞】虛擬仿真設計；六足機器人；Inventor；運動仿真

【中圖分類號】G64.32 【文獻標識碼】A 【文章編號】

引 言

Inventor是一種全面的可視化設計工具，用于創(chuàng)建和驗證完整的數字樣機，可以檢驗機械產品的外型、結構和功能，也可以對其進行運動仿真和應力分析，設計師應用這種軟件可對數字化樣機進行優(yōu)化，并預測機械產品在未來的實際工作情況[1]。

本文設計了六足雙斗機器人，機器人采用足式移動方式優(yōu)點在于控制簡單，移動比較迅速，同時可以相對較容易地跨過比較大的障礙，但是當機器人在行走時，整個物體的重心會發(fā)生變化，各個關節(jié)受到的速度及加速度也不同，在不行走，進行挖掘工作，不同部位受到的力也不一樣。本文應用Inventor對六足機器人在平地行走和爬坡過程中重心的位置、速度加速度變化進行仿真分析，Inventor集設計、建模和仿真于一體，且操作簡單，這給設計工作帶來了許多方便，節(jié)約了研究時間和研制費用，實現了高質量、高速度、高效率、低成本的整體設計。

本文所應用的軟件為虛擬設計方法又提供了一個方便可行的辦法，同時，設計的六足機器人為足類機器人的設計也提供了一些思路。在Inventor的虛擬仿真下，得到所設計的六足機器人的一些有用信息，為更好的設計新型六足機器人提供了參考依據。小型物理樣機試驗，行走和利用雙斗夾取物體。

1.六足機器人整體結構

Inventor軟件注重產品外觀設計，同時其渲染功能也易于操作，效果良好，應用Inventor對六足機器人進行整體結構造型和渲染，其中腿部結構輸入旋轉運動，在滑塊和曲柄的作用下轉化為腿部搖擺運動[2]，腿部機構的搖擺幅度為[-24°～+24°]，由于該機器人的腿部關節(jié)是鉸接和滑動副，因而在步行時即使出現失穩(wěn)現象也具有較強的姿態(tài)恢復能力[3]，足部使用減震和緩沖作用的橡膠材料。

2.機器人步態(tài)分析

在機器人研究領域，支撐相和擺動相隨時間變化的順序集合稱為步態(tài)。對勻速行走的機器人來說，其足相呈周期變化規(guī)律，由于這時步態(tài)是周期性變化的，故稱為周期步態(tài)，在一個周期T內，支撐相的時間為 ，則該足的有荷因數β按下式計算[4]：

（1）

一個步態(tài)周期中，步行機器人機體重心向前移動的距離稱為步距s，各足處于支撐相時相對于機體的移動距離稱為足的行程R，兩者的關系為[4]：

R=s?β（2）

三角步態(tài)是六足仿生步行機器人實現步行的典型步態(tài)。其核心思想是把機器人的六足分為兩組（軀體一側的前、后足和另一側的中足構成一組，其余足構成另一組），三足支撐機體并推動機器人前進（稱為支撐相），另三足擺動為下一步支撐做準備（稱為擺動相），整個機器人的運動過程就是支撐相與擺動相交替、循環(huán)的過程。

六足機器人爬坡行走狀態(tài)及整體受力分析可知，腿部形成的摩擦力克服重力的一個分力達到向前行走的目的。在爬坡時雙斗的位置嚴重影響機器人的穩(wěn)定性和爬坡能力，設計雙斗的最佳放置位置，有利于機器人的爬坡動作。

3.基于Inventor的機器人運動仿真

3.1 Inventor運動仿真簡介

Inventor運動仿真能夠完成裝配下的零部件運動和載荷條件下的動態(tài)仿真，可以在任何狀態(tài)下將載荷條件輸出到應力分析中，也能展示運動過程以及某瞬間的動態(tài)載荷；可以設計模型在其整個運轉周期內的動態(tài)運行條件，并精確調整電動機和傳動器的尺寸，以便承受實際的運轉載荷；可以分析機械裝置中每個零部件的位置、速度、加速度以及承受的載荷[5]。進入Inventor運動仿真模塊的操作過程如下：打開一個需要進行運動仿真的裝配文件，在“應用程序”菜單下選擇“運動仿真”，即可進入Inventor運動仿真界面。

本文在仿真時定義腿和地面為摩擦副，定義摩擦系數f為0.5。制作實物樣機時，兩排行走足各有一個電機，依靠鏈傳動帶動各個足運動。在仿真時，為了方便起見，定義6個電機驅動6個足，保持主要工作原理不變。仿真內容主要有：爬坡角度θ分別為0°、15°和22°時，機器人重心位置、速度和加速度的變化情況。

3.2 重心變化情況分析

六足機器人重心位置、速度、加速度對機器人整體的穩(wěn)定性有重要影響，通過仿真得到在不同爬坡角度下重心的變化曲線，分析機器人的穩(wěn)定性。如圖5所示，機器人在平面上行走時的重心變化曲線，由前面設計的腿部結構可知，機器人每走一步，在豎直方向上重心都有一個上升和下降的過程，豎直方向波動幅值越大說明機器人步距也越大，太大的步距影響機器人的穩(wěn)定性。水平方向上的波動越小越好，如圖5（b）所示，Y方向上的速度波動非常小，加速度對機器人零部件有一個動載荷的作用，求出行走每一步的加速度后還可以計算出零部件上的動載荷。從圖中可以看出，重心在各種情況下的變化曲線有很強的周期性，這與前面的分析一致。

4.物理樣機試驗

通過在Inventor環(huán)境下的虛擬設計和仿真，以及在裝配模式下仿真得到行走時的步態(tài)和爬坡能力，六足機器人設計合理，為了驗證設計的可行性和仿真的真實性，將六足機器人在各個Inventor環(huán)境下的三維零件圖轉化成二維CAD圖紙，依據圖紙的設計尺寸制造了一小型物理樣機。

參考文獻

[1]陳伯雄.Inventor R8 應用培訓教程：機械設計[M].清華大學出版社，2004.9

[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].高等教育出版社，2006

[3]閆尚彬，韓寶玲，羅慶生.仿生六足步行機器人步

態(tài)軌跡的研究與仿真[J].計算機仿真.2007.10.156～160

第6篇：機器人的機械設計范文

伴隨著全新的信息科學與技術發(fā)展和全球性的教育改革，國際青少年電腦機器人活動于20世紀90年代在一些發(fā)達國家青少年中逐步興起。近幾年來，機器人教育已經在全國發(fā)達城市中小學中廣泛開展起來，并大有普及之勢。

2006年，我校申報寶山區(qū)區(qū)級課題《機器人步行模式的研究與設計》，期間在上海大學的指導和我?？萍冀處煹墓餐ο掠?009年順利結題，課題從高中教學層面探討了機器人機構設計如何應用于高中學段學生。

2 理論基礎

我們考慮從機器人的一個板塊出發(fā)，利用學生對機器人機械結構的認識和研究開始逐步破解學生對機器人的神秘感，鍛煉學生的科研能力，引導學生從設計出發(fā)，自己動手設計并制作機器人。從而讓學生能夠從中體驗較為完整的科研過程，使他們學到科學有效的思維方式，提高邏輯思維能力、規(guī)劃能力，提高分析問題和解決問題的能力。同時，在課程及活動中穿插結合專家講座以及實踐探索等一系列方式來了解智能機器人的發(fā)展和應用狀況，并在組裝機器人的過程中培養(yǎng)學生的動手能力、協作能力和創(chuàng)造能力。最終的目的是能為同學們開設一門能充分發(fā)揮創(chuàng)造力的創(chuàng)新課程，或者說向這個目標做一些有益嘗試。

我們知道了一般機器人的設計可以分為三個部分：機械部分、電路部分和程序部分，而其中最為基礎的便是機械部分。高中最常見的機器人活動競賽就是單馬達的簡易機器人搭建了，通過不同的結構可實現跑步、爬桿、爬梯（圖1）等不同的動作。類似的比賽中經常有一條規(guī)則是一定要使用曲柄連桿機構，不得使用輪式，這就涉及到了一個基本的機構學概念——機械傳動，具體的搭建方式雖然可以參照機器人的說明書，但如果能真正掌握其原理必然讓學生對機器人有更深一層次的認識。

有了這些理論基礎和想法，我們咨詢了上海大學機械工程系的專家，從可行性角度對本課題進行了論證，在肯定我們想法的同時專家還從技術角度解答了我們的一些疑問，提供了我們一些新的思路和手段。我們打算第一步就從機械板塊進行教學的深入探究，讓學生重新認識機械設計這一可能會被忽略的機器人最基礎的部分。

3課程設計

遵循這樣一個切入點我們針對機械結構部分為學生設計了以下的一系列學習課程，大致分為了這樣幾個階段：

3.1 觀察分析階段

一開始通過對機器人的搭建及觀察，學生接觸簡易單馬達機器人，從實際出發(fā)認識一個機器人完成整個運動過程的基本方式，培養(yǎng)學生的動手能力和合作精神，并使其掌握讀圖紙、零件裝配等一些基本工程技術素養(yǎng)。

3.2 理論學習階段

本環(huán)節(jié)通過對四桿機構這樣一種常用的傳動方式的介紹，帶領同學從單純照搬圖紙過度到進行簡易機構分析的層面。機器人制作課程實際是一種跨學科的學習課程，須靈活運用各種學科的知識。現在的高中課程中，學生們學了很多數學、物理、計算機方面知識和解題方法，但遇到實際問題往往就不會運用了。如本環(huán)節(jié)用到了很多他們學過的數學知識，既讓他們覺得設計并不是那么遙不可及從而失去信心和興趣，又讓他們在真實的情景中體驗學以致用的快樂，更好的提升他們學習科學文化知識的熱情。

3.3 技術實踐階段

有了一定的理論基礎以后我們可以利用一系列的技術手段讓學生的所學得到鞏固提高，來一次理論聯系實際。受到了《神奇的仿真技術》課程的啟發(fā)，我們考慮借助計算機仿真這一手段。一方面機械結構的實物的設計制作存在一定成本，另外計算機輔助設計作為一門新興學科也已經登陸到了高中課堂（一些學校已經開設了AUTOCAD、CAXA等課程）。經過我們的幾次嘗試這一環(huán)節(jié)可以通過多種方式去實現，比如可結合數學計算利用VB的繪圖功能進行二維機構仿真（圖2），再比如有一些現成的軟件（如working model 2D）可以實現類似真實模擬環(huán)境下的機構仿真。最新的探究中我利用了上海市青少年活動中心組織的培訓，掌握了工程設計領域的權威軟件ProE，其中即可實現三維模型的建模，又可模擬真實的三維運動（圖3），很好地為學生的自主探究提供的一種手段。

3.4 創(chuàng)新實踐階段

在經過了上述各階段的學習以后，學生對于機械結構的認識可以說有了一個質的飛躍，這為其以后參與到各項機器人的活動中打下了扎實的基礎。至少在機器人的機械部分，我們總結出了即使在是看似再簡單的機械結構，也要經歷結構設計、運動模擬、計算機輔助設計、計算機輔助制造等環(huán)節(jié)。而且這個流程不是一蹴而就的，必將經過反復的修改和測試，下面我們來看一個成功的例子。

4具體案例

以下為第24屆英特爾上海市創(chuàng)新大賽我校機器人創(chuàng)意設計一等獎作品的論文節(jié)選，該論文中的學生就是在經過了上述過程的學習后改進了一個步行機器人結構，雖然在參賽過程中專家對于其在實用性方面還存在一定爭議，但評委們一致認為在機械結構設計這一部分，其科學性和新穎性已經達到了一定高度。

論文改進了一個容易跌倒的雙足步行機器人結構，通過模擬人行走的膝關節(jié)和踝關節(jié)從結構上進行了一定創(chuàng)新，基本達到了課題制定的目標，下面是文章的部分節(jié)選，其分別對應了我們上述提到的機器人機構設計的幾個步驟。

4.1 有機構的分析

我們仔細觀察暑假中制作的那個會“摔跤”的步行機器人，發(fā)現從機器人的結構上看，有曲柄還有連桿，是一個四桿機構。緊接著我們用直尺量出了模型的各部件尺寸并在運動模擬軟件——WORKING MODEL中對其運動過程進行了模擬，從而進一步分析其運動。

而在WORKING MODEL的運動模擬中（如圖4），我們發(fā)現原機器人的機械裝置并沒有人那樣的關節(jié)。從圖中能觀察到，由于沒有膝關節(jié)和踝關節(jié)的屈伸活動，因此在行走過程中，當從機械足跟著地到機械全足放平這一階段，前后的重心沒能很好地調整，系統重心會突然前傾，影響行走的平穩(wěn)性。機器人行走過程中前后重心不穩(wěn)的問題就出在這里。

4.2 結構創(chuàng)新設計

根據分析，要是能設計一個能活動的且最好與地面始終保持水平的足問題便迎刃而解了。我們詢問了老師也在網絡和相關機構學書籍中查找了資料，了解到了有一種叫做平行四桿機構的方式，如資料顯示，雙曲柄平行四桿機構有四類，從外觀判斷其中a類應該就是我們需要的方式。有了這個關鍵的機構原理作支撐，我們開始了對原有機構的改進。

從運動轉換角度分析，該裝置是單自由度的曲柄搖桿機構，構造和控制均相當簡單。從支撐的角度分析，該裝置疊加了兩個平行四桿機構，因而具備活動的膝關節(jié)和活動的踝關節(jié)，在行走過程中，裝置的機架部分始終與地面保持平行， 能較平穩(wěn)地移動系統的重心位置，避免突然前傾的現象出現。這些都符合了我們之前機構設計的需要。

4.3 計算機輔助設計（CAD）

接下來，我們在仿真軟件里測量了各個部件的尺寸，然后按照一定的比例縮放后得到實際的部件的尺寸。

在設計時發(fā)現了各鉸接點的連接是一個很大的問題，簡易機器人里都是利用插銷來實現的，其優(yōu)點是成本低，但缺點很多如：容易磨損和脫落等。詢問了老師后，他建議我們使用軸承，并告知了我們軸承的一般裝配方式。

在設計時還要考慮大足的制作、馬達乃至以后傳感器等的安裝位置的預留、如何使整個機架的重心盡量降低以保證其穩(wěn)定性等問題。在老師的幫助下終于在CAD中完成了各個零件的設計，并將它們組裝成了模型（如圖6）。我們聯系了加工的地方利用雕刻機將基本的部件制作了出來，一些較為關鍵的部件老師幫我進行了挑選，比如馬達和齒輪，挑選了內部應用蝸桿的齒輪箱增大了扭矩，而且降低了噪音，齒輪的外掛設計也有效地防止了齒輪卡死。

4.4 計算機輔助制造（CAM）

在雕刻機的幫助下，一個個由我們設計的機構零件終于由電子文件變成了實物（如圖8）。經過最后的拼裝搭建，我們自己設計的第一臺機器人終于出世（如圖9）。

5思考與小結

上述活動過程我們考慮可設計成一個系列的短課程，包含機器人制作、機構學入門、計算機機械仿真、CAD模型設計等環(huán)節(jié)，涵蓋了當前用于機械部分設計的比較主流的設計思路和手段方法。結合了數學、物理、計算機等多門學科的綜合知識，可以讓學生在運用自己的所學中不斷有新的發(fā)現，認識到各學科之間其實是相通的，很多我們學習的理論是為技術服務的。而在最后的模型制造環(huán)節(jié)之前的操作是將可行性較高的設計送去外部加工，以后學校如有條件可考慮采購一臺小型雕刻機，一些簡單設計可以直接完成CAM，學生的認識會更加直觀也可作為活動的一個和小結部分。

我們的初衷是想通過對機器人機械部分的研究與設計，學生能不再局限于使用各公司的機器人套材，而更多地考慮自己設計或改進。從機器人學習研究的角度，學生從簡單拼裝搭建的裝配層面上升到了理論結合實際的研究層面，我們也看到了一些讓我們歡欣鼓舞的自主研創(chuàng)新成果。當然在課程的進一步深入的過程中，機構設計還有許多新的知識，每一個知識點都能用于不同功能機器人的設計，我想在以后的機器人課程或者活動中我們要做的還有很多。

參考文獻:

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[2] 王中杰等.神奇的仿真技術. 上海市科學教育推廣項目資料包

[3] 楊可楨等.機械設計基礎[M].北京：高等教育出版社,2006.

[4] 陳國華.機械機構及應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008.

[5] 尹居中.機械設計實作計劃—投球機構模擬分析.

[6] 導向科技編.AUTOCAD 2006基礎[M]. 北京：人民郵電出版社,2006.

第7篇：機器人的機械設計范文

【關鍵詞】工業(yè)機器人；培訓；應用；教學

1工業(yè)機器人應用技術人才崗位分析

工業(yè)機器人應用技術存在巨大的人才缺口，人才崗位需求主要集中在工業(yè)機器人設備維修、裝配與調試、工業(yè)機器人的應用開發(fā)與系統集成等崗位，主要分為技術與銷售兩條人才培養(yǎng)路線。

2工業(yè)機器人應用技術專業(yè)培訓目標

工業(yè)機器人應用技術專業(yè)培訓目標是培養(yǎng)具有在生產一線從事工業(yè)機器人及其相關機電設備的安裝、編程、調試、運行維護和設備管理的高端技能型專門人才。掌握使用工業(yè)機器人為主的工業(yè)控制、自動化應用等必備知識，具備從事工業(yè)機器人自動化生產線安裝、調試、維護、系統集成的綜合職業(yè)能力，適應工業(yè)機器人操作、工業(yè)機器人調試、工業(yè)機器人生產線維護、工業(yè)機器人設備集成和改造等職業(yè)崗位任職要求。

3工業(yè)機器人應用技術專業(yè)培訓計劃

3.1機械設計方向

工業(yè)機器人集成項目機械設計工程師成為職場新寵，要求能夠針對集成項目進行方案設計、總體設計及機械結構設計。

3.2電氣設計與調試方向

主要針對工業(yè)機器人應用集成項目電氣部分，掌握常規(guī)的電氣系統控制、PLC控制，掌握工業(yè)機器人的控制原理、PLC高級編程、機器人高級編程、機器人視覺應用及集成項目的電氣設計方法，設計電氣圖紙。

4計算機仿真軟件編程

隨著機器人應用領域的擴展和現場示教環(huán)境的限制，借助計算機仿真軟件的離線編程逐漸成為當前機器人編程應用者的一種普遍使用的編程方式。RobotStudio是一款機器人仿真軟件，可以在辦公室里面不間斷地完成自動編程，借助虛擬機器人技術進行離線編程，如同將真實的機器人搬到了電腦中。Robotstudio軟件中內置的虛擬示教器與真實的工業(yè)機器人示教器沒有任何區(qū)別，對于學習機器人現場示教編程的，可以在基礎工作站中進行學習使用。運用Robotstu-dio軟件創(chuàng)建機器人基礎工作站包括以下步驟：①創(chuàng)建機器人工作站布局；②由布局配置機器人控制系統；③同步現場數據至控制器；④設定與切換末端執(zhí)行器；⑤示教編程；⑥仿真運行。點擊菜單欄中的“仿真”，點擊“播放”工具，機器人開始按照示教軌跡自動運行。

第8篇：機器人的機械設計范文

班級：機械設計03-5班

姓名：李雄

時間過得很快，轉眼大學四年就要過去了，然而大多數人對本專業(yè)的認識還是不夠, 學校為了使我們更多了解機電產品、設備，提高對機電工程制造技術的認識，加深機電在工業(yè)各領域應用的感性認識，開闊視野，了解相關設備及技術資料，熟悉典型零件的加工工藝，特意安排了我們到幾個擁有較多類型的機電一體化設備，生產技術較先進的工廠進行參觀實習。為期五，六天的生產實習，我們先后去過了邯鄲漢陽包裝機械有限公司和保定長城汽車股份有限公司有限公司。了解這些工廠的生產情況，與本專業(yè)有關的各種知識，各廠工人的工作情況等等。親身感受了所學知識與實際的應用，電子技術在機械制造工業(yè)的應用了，精密機械制造在機器制造的應用了，等等理論與實際的相結合。

一 實習地點

邯鄲漢陽包裝機械廠 保定長城汽車股份有限公司

二 實習時間

XX年年3月

三 實習目的

通過完成畢業(yè)實習過程，結合畢業(yè)設計或論文選題深入工廠企業(yè)實地參觀與調查，達到以下的實習目的在這個基礎上把所學的專業(yè)理論知識與實踐緊密結合起來，提高實際工作能力與分析能力，以達到學以致用的目的。

1. 了解機器人的具體結構及其工作原理

2. 掌握工業(yè)機器人的運動形式及其類型

3. 汽車產品的生產工藝過程及企業(yè)基本生產狀況

4. 汽車的類型、結構，工作原理及各零件的作用

5. 了解與熟悉汽車生產的各工藝過程。包括整車裝配部件生產等。

6. 了解與熟悉汽車生產企業(yè)的生產組織過程。

7. 了解國內外汽車工業(yè)的發(fā)展現狀及趨勢。

8. 收集畢業(yè)設計內容的相關資料。

9. 了解與熟悉汽車生產的各工藝過程。包括整車裝配部件生產等。

四 畢業(yè)實習單位狀況概述

漢陽（邯鄲）包裝機械有限公司是韓國漢陽包裝機械株式會社[公司總部在韓國仁川，已有30余年的發(fā)展歷史在華投資的跨國企業(yè)。公司全套引進國外技術與管理，匯集優(yōu)秀人才，全心致力于熱收縮設備的研制開發(fā)與生產制造，產品有l(wèi)式、袖筒式、枕式三大系列，160多個品種.產品科技含量高，生產工藝先進，有多種機型為國內首創(chuàng)，國際領先。

1 機器人應用和發(fā)展前景綜述

研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領域得以應用。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域的焊接、噴漆、搬運、裝配、鑄造等場合，己經開始大量使用機器人。另外在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農業(yè)、林業(yè)甚到服務娛樂行業(yè)，也都開始使用機器人。

2 國內外機器人的主要應用方面

從機器人的用途來分，可以分為兩大類：軍用機器人和民用機器人。

軍用機器人主要用于軍事上代替或輔助軍隊進行作戰(zhàn)、偵察、探險等工作。根據不同的作戰(zhàn)空間可分為地面軍用機器人、空中軍用機器人(即無人飛行機)、水下軍用機器人和空間軍用機器人等。軍用機器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遙控式等多種方式。

在民用機器人中，各種生產制造領域中的工業(yè)機器人在數量上占絕對多數，成為機器人家族中的主力軍；其它各種種類的機器人也開始在不同的領域得到研究開發(fā)和應用。工業(yè)機器人是機器人中數量和種類最多的一種機器人，廣泛用于工業(yè)領域的各行各業(yè)。工業(yè)機器人一般由機械本體、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置等構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。工業(yè)機器人并不是在簡單意義上代替人的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。

機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。

工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展, 出現了數控加工中心,它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞動生產率。但數控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低; 后者因設計復雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題?？删幊绦蚩刂破鱬lc控制的上下料機械手控制系統動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力, 保證了系統運行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。

機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產。但現在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對機械手表現出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交帶來的挑戰(zhàn)。

隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、板手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視，同時也要求供料機構更加靈活、作為二十世紀最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，機器人在伴隨著科技飛速躍進的幾十年的時間里，從理論設計到實際應用領域也都有了長足的發(fā)展，并逐步走向成熟的階段。機器人應用發(fā)展現狀國際標準化組織對機器人進行了定義：“機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編.

長城汽車股份有限公司是一家大型股份制民營企業(yè)，也是國內規(guī)模最大、品種最多的皮卡專業(yè)廠。目前，公司下屬有“長城華北汽車有限公司”、“保定市信誠汽車發(fā)展有限公司”、“長城內燃機有限公司”、“長城橋業(yè)有限公司”、“長城汽車技術研究中心”等控股公司多家，。公司根據特殊行業(yè)的要求進行“點菜式”生產，每年近萬輛長城皮卡被各地的質量監(jiān)督、公安、政法、工商、公路、電訊等系統選為公務專用車。

老師為我們介紹了發(fā)動機的基本構造和原理，對它有了更深刻地認識?，F在的汽車、摩托車等大都采用的是內燃機，內燃機是一種熱力發(fā)動機，它的特點是通過液體或氣體燃料在機器內部燃燒產生熱能，然后再轉變?yōu)闄C械能提供給汽車，成為汽車前進的動力。就拿我們常見的汽車發(fā)動機來說，它是一種四沖程往復活塞式發(fā)動機。

隨然在生產實習的時候曾有過與機械電子相關的工作經驗，但在接觸到所在單位的具體工作的時候，還是感覺自己缺乏許多實踐經驗和社會知識。通過短短幾天時間的學習，使我慢慢體會到了“學無止境”的深刻道理。也找到了自身的許多缺點，比如上班遲到的問題，閑著沒事做等，自己也已經引起了注意，盡量避免在以后的無論是學習還是工作中出現。

第9篇：機器人的機械設計范文

【關鍵詞】舞蹈機器人；AVR單片機；舵機

1.引言

機器人是作為現代高新技術的重要象征和發(fā)展結果，已經廣泛應用于國民生產的哥哥領域，并正在給人類傳統的生產模式帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統等組成[1]?，F在，國際上對機器人的概念已經逐步趨近一般，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。聯合國標準化組織采納了美國機器人協會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統?！?/p>

機器人產業(yè)在二十一世界將成為和汽車、電腦并駕齊驅的主干產業(yè)。從龐大的工業(yè)機器人到微觀的納米機器人，從代表尖端技術的仿人型機器人到孩子們喜愛的寵物機器人，機器人正在日益走進我們的生活，成為人類最親密的伙伴。機器人技術和產業(yè)化在全中國甚至全世界擁有一定得現實基礎和廣闊的市場前景。本次設計采用Atmega16L單片機作為雙足機器人控制單元的核心，具備自主決策和智能判斷的能力[2]。使用六個FutabaS3003舵機作為關節(jié)驅動和一個微機板作為舵機的驅動控制機器人完成各種動作。該舞蹈機器人雙腿關節(jié)采用6個FutabaS3003舵機，能夠可靠地負載起手臂和身軀。微機板放在背部，用以充當機器人的身軀，手臂安裝在微機板兩側；利用舵機調試程序對舞蹈機器人的每個動作進行編排、采樣，最后將一個個動作連貫起來編譯下載，在團隊的共同努力下完成跳舞機器人。

2.機器人總體方案設計

2.1 舞蹈機器人總體分析

要設計和開發(fā)一個舞蹈機器人，首先應該對其進行總體分析和設計，確定舞蹈機器人的功能，基本結構和系統配置。舞蹈機器人的設計一般要經過創(chuàng)意提出、整體論證、初步設計、組裝調試、最終定型等幾個大的步驟。其中最重要的當數其中的機械設計環(huán)節(jié)，它關系到后面機器人的整體性能以及控制系統的設計。

該雙足競步機器人設計的目的是要實現擬人下肢多自由度得平穩(wěn)行走，在實現這個功能的前提下為降低設計的難度，我們按照目前世界上各研究機構普通采用的下肢6個自由度的關節(jié)配置形式，來實現行走功能所必須的各關節(jié)自由度分布，具體自由度配置為單腿髖關節(jié)1個，膝關節(jié)1個，踝關節(jié)1個[3]。髖關節(jié)用于擺動腿，實現邁步，并起到了輔助平衡作用。膝關節(jié)主要用來調節(jié)重心的高度，及改變擺動腿的著地高度，使之與地形相適應。踝關節(jié)用來和髖關節(jié)相配合實現支撐腿的移動，以及調整與地面的接觸狀態(tài)。其結構圖大致與下圖1相似。

2.2 系統結構設計

根據確定的自由度配置方案以及選用的舵機、微機板，設計機器人的零件。本著結構簡單、盡量采用通用零件、外形美觀等原則，對機器人的結構及外觀進行優(yōu)化。

實現舞蹈機器人運動的基本問題是對機器人各關節(jié)位置、速度伺服控制和協調控制。如果把連桿以及關節(jié)想象為機器人的骨骼，那么驅動器就起到肌肉的作用，它通過移動或轉動連桿來改變機器人的構型。驅動器必須有足夠的功率對負載加速或者減速。同時，啟動器本身要精確、靈敏、輕便、經濟、使用方便可靠且易于維護[4]。

舵機是一種最早應用在航模運動中的動力裝置，是一種微型伺服馬達，它的控制信號是一個寬度可調的方波脈沖信號，所以很方便和模擬系統進行接口。只要能產生標準的控制信號的模擬設備都可以用來控制舵機，比如PLC、單片機和DSP等。而且舵機體積緊湊、便于安裝、輸出力矩大、穩(wěn)定性、控制簡單。根據所需的驅動力矩要求和性價比方面的考慮，我們決定選用日本雙葉電子工業(yè)株式會社生產的大扭力齒輪舵機。該類型舵機價格適中且規(guī)格參數能夠滿足舞蹈機器人的各項性能要求。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素后我們選擇了FutabaS3003這款舵機。

3.控制系統硬件設計

主板是以Atmega16L單片機微控制器為核心，包括電源模塊、USB下載模塊、ISP下載模塊、電機驅動模塊、外部晶振以及各種I/O接口。

本設計所選舵機為日本雙葉電子工業(yè)株式會社生產的FutabaS3003舵機，該類型舵機的扭力達到4.1公斤且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機。價格適中且規(guī)格參數能夠滿足雙足機器人的各項性能要求[5]。并且可以進行模擬位置鎖存，大大減少控制端的數據量，適合多級聯動控制。裝有防撞減震軸承，減少磨損，并且密封。采用國際標準的PWM控制格式，便于移植到其他平臺使用。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素后我們選擇了FutabaS3003型舵機。舵機FutabaS3003實物圖2所示。

FutabaS3003舵機的轉角達到180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大為256份。經過實際測試和規(guī)劃，分了250份。將0-185分為250份，每份0.74度?？刂扑璧腜WM寬度為0.5ms～2.5ms，寬度2ms。舵機的控制信號是脈沖位置調制信號，周期一般為2ms，當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。一般舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用下圖3所示。

4.控制系統的軟件設計

為了實現模型樣機的實驗調試，在硬件基礎上進行了系統軟件設計，通過對實際機械系統運動控制理論研究，規(guī)劃了一套簡便的調試方案以驗證樣機設計的合理性，并進行對預訂步態(tài)的相應關節(jié)控制調試和可行性驗證。

ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

由于單片機功能的限制，復雜的動作編制、舞蹈的設計不可能在單片機上進行，而且對于人機交互等在單片機上不好實現。所有必須要有上位機的協助，通過上位機，實現舞蹈動作的編寫以及調試。如基本的前進，后退，轉身，彎腰，搖頭等[6]。上位機還負責同下位機的交互，人機接口等。

舞蹈動作設計得再完美，再漂亮，最終都要體現在機器人的行走上。運動控制主要有兩個方面的內容，一方面是編寫完美的舞蹈動作，另一方面就是如何精確實現設計好的舞蹈動作。也就是說如何精確地控制電機/舵機，讓多個電機準確快速，穩(wěn)定地到達指定的位置，并且實現24個電機的協調工作。

串行通信子程序主要用于處理單片機與上位機之間的通信，實現從上位機接收控制指令和動作數據功能。單片機與上位機之間采用半雙工通信方式，但是主要還是采取數據的單向傳輸方式，即主要由上位機向單片機發(fā)送指令和數據，而單片機并不向上位機發(fā)數據，僅僅是在二者通信之前向上位機發(fā)送應答信號，以確認二者之間通信成功與否。因此，此處主要討論由上位機發(fā)送單片機接收的通訊方式。

5.舞蹈機器人設計總結

舞蹈機器人比賽是機器人比賽中具有很強觀賞性和趣味性的高技術對抗賽，舞蹈機器人的制作涉及機械、電子、自控.通訊、傳感，人工智能、機器人學、精密機構和仿生材料等多個領域。

舞蹈機器人的制作一般要經過創(chuàng)意提案、初步設計、詳細設計、制作調試4個階段。我們在制作過程中，考慮具體情況，分步細化，按照流程來控制節(jié)點，達成目標。

舞蹈機器人的動作是表現在一定時間序列上的窒間位姿（位置和姿態(tài)）的集合。

舞蹈機器人動作設計和實現的方法一般是借鑒機械臂軌跡的控制方式，在不同的平臺和技術水平基礎上采用相應的方法[7]。以下是我們在舞蹈機器人動作設計與實現研究和應用的3類方法：直觀估測法、動作示教法、虛擬仿真法。這些方法是從不同的研究目的和舞蹈機器人動作的控制要求出發(fā)的，虛擬仿真法能夠實現對舞蹈機器人動作的精確控制。

6.結論

本文設計了一款結構緊湊、外觀美觀的小型雙足機器人本體，機器人共10個自由度。它能自由行走，進行舞蹈表演。此外本系統為雙足機器人的研究預留了足夠的擴展空間，它能夠在本系統上模擬，研究其運動規(guī)律，為研究智能機器人，機器人學習、運動等提供了一個可靠的平臺。整個設計過程中，在機器人的機械結構設計上我們曾經遇到了很大的困難，好幾次的設計都由于不符合要求已經被改的面目全非。好在全組成員團結合作，最終解決了機械結構的問題。在使用ATmega16L的開發(fā)過程中，我們也充分體會到了這款單片機的性能優(yōu)越性和便利性，其單芯片設計方案對提高產品集成，降低系統成本有很大的幫助。

參考文獻

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