機器人的原型設計和制造

我已經這個專欄里，為業余愛好者寫過專門討論機器人設計的文章，也嘗試過回答這樣的問題：“怎樣才能造出一個機器人”？躍躍欲試的各路玩家提出的問題五花八門，但主要集中在機械和結構方面。大概他們覺得我不是頂尖的程序員，只能指導一些機械和電子系統方面的問題。我能區分PIC、Arduino、Propeller，甚至Raspberry Pi之間的不同，不過不想寫代碼罷了。很多朋友的程序設計能力比我強，這方面的問題還是留給他們吧！

此前我對機器人設計進行了概覽式的介紹。一些讀者在看了相關文章之后，要求我在結構和機械方面進行更深入的介紹。

現在，我就來滿足讀者的要求。不過，我并不打算討論微型控制器、編程、CAD設計或者電子系統、感應系統方面的話題。接下來，我要介紹的是，機器人設計時各個實物部件的定位和裝配問題。

我們的話題將集中在如何利用原型設計來研制和改進機械設計。最終的施工設計，就敬請讀者開動腦筋，自己完成吧！

我們將對部件安裝、系統、電機、電池等各個環節一探究竟，打造一個既高效又穩定的機器人底盤。我將以ServoCity的Actobotics底盤為例，講解機械和結構部件。ServoCity的網站展示了數千種機械構件照片，堪稱一個蘊藏豐富案例和創意的寶庫，絕對值得一看。

我不僅會探討結構部件和機械部件，也會涉及基礎的機械加工實踐。我會展示一些不同的移動機器人底盤，玩家可在這些底盤的基礎上制造自己的機器人。 開始設計——從現有的原型著手

在回答機器人研制方面的問題時，我常會反問這樣一個問題：“為什么你想制造機器人，你想讓機器人做什么？”我之所以這樣問，正是因為很多人并不明白自己想要的是什么。他們只是覺得，“玩機器人夠酷”。其實，這正是回答我那個問題的好答案。對于玩機器人來說，“酷”是一個極好的理由。

一個人想耍酷，說明他想學一點與眾不同的東西，而玩機器人是個良好的開端。機器人玩家的背景、知識結構以及目標是極其多元化的，因此，涉及具體各種機器人類型的話題，可以留待以后再討論。

很多人第一次上手時，會采納我的建議，購買一套Parallax機器人套裝。例如，圖1所示的ActivityBot套裝，或者基本型的Boe-Bot套裝，價格是150～199美元，這基本上是進入機器人玩家圈子的最低成本。這些套裝附帶的說明書絕對物有所值。

這種小型機器人可以根據需要，裝配各式各樣的部件，比如鉗子、聲納、巡線機器人、相機、Xbee模塊、藍牙以及Wi-Fi裝置，甚至可以裝配語音和語音識別系統。即使是入門級的產品，比如Parallax S2，也有豐富的裝配空間。

這些機器人套裝的機械結構很簡單，不會嚇到任何人。Propeller研發的、用于給ActivityBot編程的“C”語言簡單易學，但又足夠強大，可以控制極其復雜的機器人。

如果預算比較緊張，可以考慮售價27.99美元的ServoCity ActoBitty套裝（圖2）。這個套裝包含兩組帶輪子的電機，4個AA電池夾，一塊帶線路通道的鋁質底盤，Arduino芯片板以及電池盒。它的性價比很高，對于裝配一個入門級機器人來說，最終成本不會超過50美元。

圖1　Parallax公司的ActivityBot機器人

圖2　ServoCity的Actobitty機器人

圖2展示的是，裝配了Arduino芯片板和線路-的機器人。如果購買價格更貴的ActivityBot套裝，那么后續的裝配空間會更大，可以滿足將來打造更大型機器人的要求。

有些機器人愛好者以Beo-Bot套裝起步，也有的會用樂高頭腦風暴套裝、VEX套裝，或者其他類似的教育版套裝。這些套裝的機械結構比較簡單，而大多數人希望以此為基礎，打造屬于他們自己的機器人。他們信心實足，覺得自己可以處理由感應器、機械臂、傳動系統以及電池等等不同部件組成的復雜結構。所有這些問題，正是我接下來將要介紹的。 考慮你的機器人用途

我們假設你已經玩過幾種小型機器人套裝，準備打造自己的機器人。你可以根據個人喜好把機器人分為各種類型，比如家用型、戶外型、搏斗型、醫護型，或者隨便其他什么類型。實際上，機器人的類型遠不止這些，而且每種類型都可以進一步細分為更多子類型。不過，我們暫且就上述已提到的類型開始吧！

很多玩家希望自己的機器人是多功能型的。或許，一開始你只想要一個可擴展的底盤，可以在其上加裝各種感應器和附件，然后根據具體需要再做改裝和調整。

有時候，機器人設計會因為材料限制而受阻。但是，你可以根據實際需要對設計作一些微調。 教育版機器人底盤

在你開始設計自己的機器人之前，可以參考一下已經成型的機器人設計。正如前面已經介紹過的那樣，從制造第一個Boe-Bot機器人開始，Parallax公司在這一領域經驗豐富，積累雄厚。在2010年的時候，公司總裁Ken Gracey意識到消費者喜歡更大一點的機器人，開始采用9層膠合板作為底盤托板，如圖3所示。

圖3　Parallax公司在2010年發明的膠合板托盤

圖4展示的是Parallax公司以Kinect感應器為基礎設計的Eddie機器人。這種機器人頂部裝著筆記本電腦，用Windows系統進行圖像處理。后來，Parallax公司在原設計中采用多層HDPE強化塑料取代膠合板，打造出目前市場上銷售的Arlo底盤。

圖4　Parralax公司的Eddie底盤，使用Windows操作系統和Kinect感應器

與此同時，Willow Garage公司研發出了TurtleBot底盤，如圖5所示。TurleBot底盤同樣使用Kinect感應器，不過使用ROS（Robot Operating System，機器人操作系統）編程。圖6展示的是類似的另一種多層底盤，由英國的Robot-Electronics公司設計。

圖5　Wilow Garage的TurtleBot機器人，使用iRobot的Create底盤和ROS

圖6　英國Robot-Electronics公司設計的多層底盤

上述4種機器人底盤，都是中型機器人設計的典范之作。它們都是圓形的（或者說接近圓形，比如英國公司的那款），都采用差速傳動，操控簡便，行駛穩定。

它們還有一個更重要的特點在于，上層托板都比較大，可以安放一臺屏幕打開的筆記本電腦，這樣就能用筆記本電腦控制機器人。當然，你也可以把筆記本電腦合起來，塞入到下層托板中，把上層空出來放感應器或者其他設備。

即便是在以iRobot Create底盤為基礎的、尺寸較小的TurleBot底盤上，也可以用緊湊型筆記本電腦代替微型控制器，對機器人進行更高級的控制。對于大多數玩家來說，圓形差速傳動平臺堪稱最好的機器人設計之一。 打造你自己的機器人底盤

底盤是機器人設計中最重要的部分，它承載著整個機器人，不論你是使用空腔殼體，還是直接把其他部件裝到底盤上。

圖7是Parallax公司的設計圖紙，標出了安裝電機的兩個小孔，以及為輪子留出的位置。前后兩個輪腳機動性很強，正適用于差速轉向系統。你可能會想要兩層托盤，用來安放筆記本電腦、Kinect感應器、攝像機以及其他傳感器。

圖7　Parallax的底盤設計圖，準確標出了開孔位置

多數人喜歡把電池裝在底盤最下面，以保證機器人的穩定性，就像Parallax公司的Eddie底盤那樣，把電池裝在下層托盤的下面。這種方法適用于膠體電解質鉛酸電池，這種電池比較重。不過對于鋰離子電池，特別是鋰聚合電池來說，應該把它們安裝在較高的、易于拆裝的地方。

我們已經介紹了一些不同種類的機器人底盤，它們的研發者都是很棒的機器人公司。不過，研制一個你自己專屬的機器人底盤也并非難事。對于小型機器人來說，利用現成的底盤是個不錯的選擇。但如果是大型機器人的話，研發你自己的專屬底盤會省不少錢。我們剛才介紹過，用膠合板就可以做出很不錯的底盤托板，即便你的膠合板的質量不如Parallax公司用的那樣好，也是沒有問題的。

我自己做的最早的一批機器人，都是以膠合板或鍍鋅通風管為材料的。根據機器人的大小，6.35～25.4毫米的膠合板（兩面刨光）都有用武之地。

后來，我開始制造大型機器人，于是就用起了金屬托板，通常是3.175毫米和6.35毫米的6061-T6鋁材。

如果你只想用較薄的金屬材料，那么Actobotics的3.8厘米×3.8厘米鋁槽是一個不錯的選擇，如圖8所示。這種帶護軌的鋁槽強度較高，安裝馬達或輪子都沒問題。

使用“L”形管槽或鋁槽有一個好處，它們身上的孔洞位置，能夠與ServoCity的產品配合得天衣無縫。圖9展示的機器人由Rober Beatty和他的女兒合作打造，使用的全部是Actobotics的管槽。

圖8　ServoCity出品的3.8厘米×3.8厘米鋁槽

圖9　Robert Beatty和他女兒共同打造的機器人，使用的是Actobotics管槽

你還可根據需要選用不同長度的鋁槽，共有10種長度可選。 加工金屬材料

曾經有很多年，我在加工設備方面獨具優勢，可以使用大功率金屬切割機切割材料，用金屬成形機給材料塑形。不過，現在我同很多人一樣，沒有機會用到這樣的設備了，只得轉而購買市面上加工好的定形材料。當然，你也可以自己動手，從較大的材料上割出所需要的尺寸。手持式金屬切鋸機、“大剪刀”，甚至是弓鋸，都可以用來切割金屬材料。

很多人喜歡用縱橫雙向帶鋸。圖10展示的就是Northern Tool公司出品的一種帶鋸，售價250美元。像這種價格相對比較便宜的帶鋸，其底座有時會在使用中搖晃，但并不影響切割工作。有一回實在不得已，我用只裝了一把刀片的米沃奇（Milwaukie）往復鋸，從190厘米的鋁板上切出6.35毫米的材料。是的，米沃奇往復鋸好像算不上真正的切割設備，但實際上，沒有什么是它不能切割的（圖11）。

圖10　Northen Tool出品的廉價（縱橫雙向）帶鋸

圖11　用米沃奇往復鋸切割鋼槽

切割的時候動作不要太快，也別太慢，保持一個穩定的節奏，沿著墨線切，但不要離墨線太近。鋸臺最好貼一層防護膠帶，以防在切割時磨損金屬材料。切完以后，材料要磨光或挫平。切得越直，磨光或挫平就可以做得越少。如果要打磨直邊，臺式砂光機會讓你事半功倍。

有些人喜歡用固定式縱向帶鋸，因為他們經常要切割比較大的材料。但是，如果要切割金屬的話，這種鋸得配上更大的組合鋸才行，這樣花費就比較高。

如果要切出圓形材料，可以用鋼腳圓規劃線，也可以沿著圓形的厚紙板或塑料板劃出墨線。

我喜歡用Dykem墨水劃線，線條會非常醒目，如圖12所示。線條最好劃得比較深，即使墨線不小心被擦掉一點，也不至于太受影響。

如果要切割直徑大于7.62厘米的圓孔，我就會使用安裝了孔鋸或高速切削刀的壓力鉆，如圖13所示。使用電動工具有一定危險性，特別是電鋸和壓力鉆。如果高速切削刀片沒有牢固地安裝好，或者沒鎖牢就啟動鉆機，它就很有可能在使用時彈出來扎到身上或眼睛里。所以，務必記住，戴上護目鏡！

圖12　用Dykem墨水在材料上劃出墨線，以備切割

圖13　裝配高速切割刀片的壓力鋸，可以很方便地割出圓孔

如果你在切割金屬方面還是新手，我建議你先學一點基本操作技法和安全防護措施，可以向懂行的朋友討教，也可以去網上求教。

上面介紹的工具，樣樣物美價廉，絕對是你打造機器人的好幫手。不過，使用時一定要當心，要遵守安全操作規范。不然的話，這些工具會變成殘害你的兇手，說不定會讓你躺進醫院。 安裝驅動系統

如果你設計過機器人底盤，想必你肯定是想造出一款能行駛的機器人。那么，你肯定會用到數量不等的輪子，或有類似功能的部件，或許你還會用履帶，甚至是機械腿。不過，以下討論的重點還是輪式驅動。

有些人可能會認為，直接把輪子裝到齒輪馬達上就行了。其實，這種方法并非處處適用。對于重量小于0.45千克的小型航模類機器人來說，直接安裝輪子是可行的。對于更大的機器人來說，就得另想辦法了。

大多數齒輪馬達的輸出軸都有抗扭轉力矩能力，不過抗撓矩能力卻不強。電動輪椅的那種特制大型齒輪馬達，在變速箱內設計有兩個軸承，可以起到抗撓矩的作用。不過，普通機器人玩家不太可能找到這種齒輪馬達。

新手購買齒輪馬達的時候，常會有無從下手的感覺，即使在實體店里親手拿著一個馬達端詳，也不知道它是否合乎需要。這時你有兩個辦法，一是看看產品說明書，一是打開馬達，看看輸出軸后面以及最末端的齒輪前面有沒有滾珠軸承或襯套。 安裝輪子

有的人可能會覺得，“輪子越多越好”。這是不對的。輪子多，驅動馬達和連接件也隨之多起來。

圖14展示的是一款來自ServoCity的Nomad機器人，整體已經裝好，還沒有上線纜、電池和控制系統。請注意右邊那根傾斜的方槽，這種設計能讓機器人在復雜地形上仍能4輪抓地。

圖14　ServoCity的Nomad四輪驅動越野機器人底盤，請注意其可彈翹設計

2根方槽中只有1根傾斜，這種設計非常適用于越野型機器人，這款重量為2.95千克的Nomad機器人即是一例。

我第一次調試遠程操縱裝置，就用了一臺Nomad機器人。它運行得很順利，還能順利從石頭上躍起，穩穩著陸（遺憾的是，后來再也沒有做到過，僅此一次而已）。

除非你能按照Ackermann（汽車型）模式把前后輪調試好，不然的話，不論是4輪、6輪還是8輪，都會在行駛過程中產生摩擦，極大地浪費能量。

6輪型很適合復雜地形，不過前后輪都要設計成能轉動的，而且每個輪子都要有一定的彈跳性能。除非你真的要打造一款實實在在的越野機器人，否則的話，太多的輪子只是看起來比較酷而已，實則犧牲了效率和功能。

給機器人裝輪子，就跟給雙軸承齒輪馬達裝輪子一樣簡單。不過，有時候我們會碰到“完美”的齒輪馬達，不論是轉速和扭矩，還是電壓和能效，都符合要求，但是，就像我上面已經說過的那樣，裝上輪子后沒有抗撓矩能力。

行星齒輪箱馬達通常有一套直徑同馬達一樣的齒輪組，安裝面上有螺紋孔，可以緊固在安裝位置。圖15展示的就是一個ServoCity HD行星齒輪箱，可以看到，它是很易于安裝的。

圖15　ServoCity HD行星齒輪箱馬達，裝有“mount C”接口

要把輪載荷從馬達輸出軸上卸下來，就需要使用鏈式傳動。使用兩種不同尺寸的鏈式齒輪，利用齒輪速比增加或降低輪子的轉速，并彌補馬達有效輸出速度不足的問題。

再次建議你去ServoCity的網站看看（www.servocity.com），在那個網站上，你可以從數百種不同的結構模型和機械模型里學到不少東西。

之所以要用兩組差速傳動馬達和輪子，是因為要防止突發狀況，比如輪子被門坎或者坑坑洼洼的地面絆到。如果機器人的兩個輪腳一前一后，就有可能發生這種情況。只用一個輪腳的話，就不會有這種問題。

如果前后輪腳的其中一只，或兩只同時翹起，驅動輪就可能離地，機器人就擱住了。

更有可能的一種情況是，機器人側向一邊，依靠兩個輪腳保持平衡，然后只以一個驅動輪發力，駛入平地。

我同Parallax公司合作，開發了一種彈簧支承輪腳（圖16），可以緩解上述問題。如果要用這種輪腳，得根據機器人的重量自備彈簧。

圖16　彈簧支承輪腳，專為Parallax公司的ARLO底盤設計

彈簧太硬的話，起不到作用。如果太軟，行駛在有起伏的地面上就會搖搖晃晃，啟動和停止時也會前后搖擺。

結語

設計機器人沒有“最好”的方法。實際制造過程中，有太多問題需要考慮。我可以負責任地說，使用本文介紹的ServoCity原型部件，可以幫助玩家節省機械加工的時間，拿來就用。

VEX、Parallax、MINDS-i、LEGO、Tetrix等公司，為玩家提供了琳瑯滿目的教育版機器人套裝，對于學習機器人設計理念來說極其有用。其實，稍微從成品機器人里汲取一點靈感，就能走出自己的路。

Tom Carroll 撰文　雍琦 譯

本文節選自《機器人愛好者（第2輯）?》。

內容簡介

本書是美國機器人雜志《Servo》精華內容的合集。

本書根據主題內容的相關性，進行了精選和重新組織，分為5章。 第1章介紹了機器人的歷史、發展狀態以及前景，特別關注了機器手和機器臂的設計和發展、機器人的原型設計和制造、Robot Hut機器人博物館，以及警用機器人和安保機器人的應用和發展。第2章是新款機器人的產品實測，介紹了HelloSppon機器人和Apeiros機器人。第3章是“跟Mr.Roboto動手做”的專欄文章。第4章是系列文章的合集，包括手工焊接基礎的文章，以及一些機器人DIY的文章。第5章是全球機器人領域最新的研究動態和資訊。

本書內容新穎，信息量大，對于從事機器人和相關領域的研究和研發的讀者具有很好的實用價值和指導意義，也適合對機器人感興趣的一般讀者閱讀參考。

本文轉載自異步社區。

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