机器人的原型设计和制造

我已经这个专栏里，为业余爱好者写过专门讨论机器人设计的文章，也尝试过回答这样的问题：“怎样才能造出一个机器人”？跃跃欲试的各路玩家提出的问题五花八门，但主要集中在机械和结构方面。大概他们觉得我不是顶尖的程序员，只能指导一些机械和电子系统方面的问题。我能区分PIC、Arduino、Propeller，甚至Raspberry Pi之间的不同，不过不想写代码罢了。很多朋友的程序设计能力比我强，这方面的问题还是留给他们吧！

此前我对机器人设计进行了概览式的介绍。一些读者在看了相关文章之后，要求我在结构和机械方面进行更深入的介绍。

现在，我就来满足读者的要求。不过，我并不打算讨论微型控制器、编程、CAD设计或者电子系统、感应系统方面的话题。接下来，我要介绍的是，机器人设计时各个实物部件的定位和装配问题。

我们的话题将集中在如何利用原型设计来研制和改进机械设计。最终的施工设计，就敬请读者开动脑筋，自己完成吧！

我们将对部件安装、系统、电机、电池等各个环节一探究竟，打造一个既高效又稳定的机器人底盘。我将以ServoCity的Actobotics底盘为例，讲解机械和结构部件。ServoCity的网站展示了数千种机械构件照片，堪称一个蕴藏丰富案例和创意的宝库，绝对值得一看。

我不仅会探讨结构部件和机械部件，也会涉及基础的机械加工实践。我会展示一些不同的移动机器人底盘，玩家可在这些底盘的基础上制造自己的机器人。 开始设计——从现有的原型着手

在回答机器人研制方面的问题时，我常会反问这样一个问题：“为什么你想制造机器人，你想让机器人做什么？”我之所以这样问，正是因为很多人并不明白自己想要的是什么。他们只是觉得，“玩机器人够酷”。其实，这正是回答我那个问题的好答案。对于玩机器人来说，“酷”是一个极好的理由。

一个人想耍酷，说明他想学一点与众不同的东西，而玩机器人是个良好的开端。机器人玩家的背景、知识结构以及目标是极其多元化的，因此，涉及具体各种机器人类型的话题，可以留待以后再讨论。

很多人第一次上手时，会采纳我的建议，购买一套Parallax机器人套装。例如，图1所示的ActivityBot套装，或者基本型的Boe-Bot套装，价格是150～199美元，这基本上是进入机器人玩家圈子的最低成本。这些套装附带的说明书绝对物有所值。

这种小型机器人可以根据需要，装配各式各样的部件，比如钳子、声纳、巡线机器人、相机、Xbee模块、蓝牙以及Wi-Fi装置，甚至可以装配语音和语音识别系统。即使是入门级的产品，比如Parallax S2，也有丰富的装配空间。

这些机器人套装的机械结构很简单，不会吓到任何人。Propeller研发的、用于给ActivityBot编程的“C”语言简单易学，但又足够强大，可以控制极其复杂的机器人。

如果预算比较紧张，可以考虑售价27.99美元的ServoCity ActoBitty套装（图2）。这个套装包含两组带轮子的电机，4个AA电池夹，一块带线路通道的铝质底盘，Arduino芯片板以及电池盒。它的性价比很高，对于装配一个入门级机器人来说，最终成本不会超过50美元。

图1　Parallax公司的ActivityBot机器人

图2　ServoCity的Actobitty机器人

图2展示的是，装配了Arduino芯片板和线路-的机器人。如果购买价格更贵的ActivityBot套装，那么后续的装配空间会更大，可以满足将来打造更大型机器人的要求。

有些机器人爱好者以Beo-Bot套装起步，也有的会用乐高头脑风暴套装、VEX套装，或者其他类似的教育版套装。这些套装的机械结构比较简单，而大多数人希望以此为基础，打造属于他们自己的机器人。他们信心实足，觉得自己可以处理由感应器、机械臂、传动系统以及电池等等不同部件组成的复杂结构。所有这些问题，正是我接下来将要介绍的。 考虑你的机器人用途

我们假设你已经玩过几种小型机器人套装，准备打造自己的机器人。你可以根据个人喜好把机器人分为各种类型，比如家用型、户外型、搏斗型、医护型，或者随便其他什么类型。实际上，机器人的类型远不止这些，而且每种类型都可以进一步细分为更多子类型。不过，我们暂且就上述已提到的类型开始吧！

很多玩家希望自己的机器人是多功能型的。或许，一开始你只想要一个可扩展的底盘，可以在其上加装各种感应器和附件，然后根据具体需要再做改装和调整。

有时候，机器人设计会因为材料限制而受阻。但是，你可以根据实际需要对设计作一些微调。 教育版机器人底盘

在你开始设计自己的机器人之前，可以参考一下已经成型的机器人设计。正如前面已经介绍过的那样，从制造第一个Boe-Bot机器人开始，Parallax公司在这一领域经验丰富，积累雄厚。在2010年的时候，公司总裁Ken Gracey意识到消费者喜欢更大一点的机器人，开始采用9层胶合板作为底盘托板，如图3所示。

图3　Parallax公司在2010年发明的胶合板托盘

图4展示的是Parallax公司以Kinect感应器为基础设计的Eddie机器人。这种机器人顶部装着笔记本电脑，用Windows系统进行图像处理。后来，Parallax公司在原设计中采用多层HDPE强化塑料取代胶合板，打造出目前市场上销售的Arlo底盘。

图4　Parralax公司的Eddie底盘，使用Windows操作系统和Kinect感应器

与此同时，Willow Garage公司研发出了TurtleBot底盘，如图5所示。TurleBot底盘同样使用Kinect感应器，不过使用ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）编程。图6展示的是类似的另一种多层底盘，由英国的Robot-Electronics公司设计。

图5　Wilow Garage的TurtleBot机器人，使用iRobot的Create底盘和ROS

图6　英国Robot-Electronics公司设计的多层底盘

上述4种机器人底盘，都是中型机器人设计的典范之作。它们都是圆形的（或者说接近圆形，比如英国公司的那款），都采用差速传动，操控简便，行驶稳定。

它们还有一个更重要的特点在于，上层托板都比较大，可以安放一台屏幕打开的笔记本电脑，这样就能用笔记本电脑控制机器人。当然，你也可以把笔记本电脑合起来，塞入到下层托板中，把上层空出来放感应器或者其他设备。

即便是在以iRobot Create底盘为基础的、尺寸较小的TurleBot底盘上，也可以用紧凑型笔记本电脑代替微型控制器，对机器人进行更高级的控制。对于大多数玩家来说，圆形差速传动平台堪称最好的机器人设计之一。 打造你自己的机器人底盘

底盘是机器人设计中最重要的部分，它承载着整个机器人，不论你是使用空腔壳体，还是直接把其他部件装到底盘上。

图7是Parallax公司的设计图纸，标出了安装电机的两个小孔，以及为轮子留出的位置。前后两个轮脚机动性很强，正适用于差速转向系统。你可能会想要两层托盘，用来安放笔记本电脑、Kinect感应器、摄像机以及其他传感器。

图7　Parallax的底盘设计图，准确标出了开孔位置

多数人喜欢把电池装在底盘最下面，以保证机器人的稳定性，就像Parallax公司的Eddie底盘那样，把电池装在下层托盘的下面。这种方法适用于胶体电解质铅酸电池，这种电池比较重。不过对于锂离子电池，特别是锂聚合电池来说，应该把它们安装在较高的、易于拆装的地方。

我们已经介绍了一些不同种类的机器人底盘，它们的研发者都是很棒的机器人公司。不过，研制一个你自己专属的机器人底盘也并非难事。对于小型机器人来说，利用现成的底盘是个不错的选择。但如果是大型机器人的话，研发你自己的专属底盘会省不少钱。我们刚才介绍过，用胶合板就可以做出很不错的底盘托板，即便你的胶合板的质量不如Parallax公司用的那样好，也是没有问题的。

我自己做的最早的一批机器人，都是以胶合板或镀锌通风管为材料的。根据机器人的大小，6.35～25.4毫米的胶合板（两面刨光）都有用武之地。

后来，我开始制造大型机器人，于是就用起了金属托板，通常是3.175毫米和6.35毫米的6061-T6铝材。

如果你只想用较薄的金属材料，那么Actobotics的3.8厘米×3.8厘米铝槽是一个不错的选择，如图8所示。这种带护轨的铝槽强度较高，安装马达或轮子都没问题。

使用“L”形管槽或铝槽有一个好处，它们身上的孔洞位置，能够与ServoCity的产品配合得天衣无缝。图9展示的机器人由Rober Beatty和他的女儿合作打造，使用的全部是Actobotics的管槽。

图8　ServoCity出品的3.8厘米×3.8厘米铝槽

图9　Robert Beatty和他女儿共同打造的机器人，使用的是Actobotics管槽

你还可根据需要选用不同长度的铝槽，共有10种长度可选。 加工金属材料

曾经有很多年，我在加工设备方面独具优势，可以使用大功率金属切割机切割材料，用金属成形机给材料塑形。不过，现在我同很多人一样，没有机会用到这样的设备了，只得转而购买市面上加工好的定形材料。当然，你也可以自己动手，从较大的材料上割出所需要的尺寸。手持式金属切锯机、“大剪刀”，甚至是弓锯，都可以用来切割金属材料。

很多人喜欢用纵横双向带锯。图10展示的就是Northern Tool公司出品的一种带锯，售价250美元。像这种价格相对比较便宜的带锯，其底座有时会在使用中摇晃，但并不影响切割工作。有一回实在不得已，我用只装了一把刀片的米沃奇（Milwaukie）往复锯，从190厘米的铝板上切出6.35毫米的材料。是的，米沃奇往复锯好像算不上真正的切割设备，但实际上，没有什么是它不能切割的（图11）。

图10　Northen Tool出品的廉价（纵横双向）带锯

图11　用米沃奇往复锯切割钢槽

切割的时候动作不要太快，也别太慢，保持一个稳定的节奏，沿着墨线切，但不要离墨线太近。锯台最好贴一层防护胶带，以防在切割时磨损金属材料。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。如果要打磨直边，台式砂光机会让你事半功倍。

有些人喜欢用固定式纵向带锯，因为他们经常要切割比较大的材料。但是，如果要切割金属的话，这种锯得配上更大的组合锯才行，这样花费就比较高。

如果要切出圆形材料，可以用钢脚圆规划线，也可以沿着圆形的厚纸板或塑料板划出墨线。

我喜欢用Dykem墨水划线，线条会非常醒目，如图12所示。线条最好划得比较深，即使墨线不小心被擦掉一点，也不至于太受影响。

如果要切割直径大于7.62厘米的圆孔，我就会使用安装了孔锯或高速切削刀的压力钻，如图13所示。使用电动工具有一定危险性，特别是电锯和压力钻。如果高速切削刀片没有牢固地安装好，或者没锁牢就启动钻机，它就很有可能在使用时弹出来扎到身上或眼睛里。所以，务必记住，戴上护目镜！

图12　用Dykem墨水在材料上划出墨线，以备切割

图13　装配高速切割刀片的压力锯，可以很方便地割出圆孔

如果你在切割金属方面还是新手，我建议你先学一点基本操作技法和安全防护措施，可以向懂行的朋友讨教，也可以去网上求教。

上面介绍的工具，样样物美价廉，绝对是你打造机器人的好帮手。不过，使用时一定要当心，要遵守安全操作规范。不然的话，这些工具会变成残害你的凶手，说不定会让你躺进医院。 安装驱动系统

如果你设计过机器人底盘，想必你肯定是想造出一款能行驶的机器人。那么，你肯定会用到数量不等的轮子，或有类似功能的部件，或许你还会用履带，甚至是机械腿。不过，以下讨论的重点还是轮式驱动。

有些人可能会认为，直接把轮子装到齿轮马达上就行了。其实，这种方法并非处处适用。对于重量小于0.45千克的小型航模类机器人来说，直接安装轮子是可行的。对于更大的机器人来说，就得另想办法了。

大多数齿轮马达的输出轴都有抗扭转力矩能力，不过抗挠矩能力却不强。电动轮椅的那种特制大型齿轮马达，在变速箱内设计有两个轴承，可以起到抗挠矩的作用。不过，普通机器人玩家不太可能找到这种齿轮马达。

新手购买齿轮马达的时候，常会有无从下手的感觉，即使在实体店里亲手拿着一个马达端详，也不知道它是否合乎需要。这时你有两个办法，一是看看产品说明书，一是打开马达，看看输出轴后面以及最末端的齿轮前面有没有滚珠轴承或衬套。 安装轮子

有的人可能会觉得，“轮子越多越好”。这是不对的。轮子多，驱动马达和连接件也随之多起来。

图14展示的是一款来自ServoCity的Nomad机器人，整体已经装好，还没有上线缆、电池和控制系统。请注意右边那根倾斜的方槽，这种设计能让机器人在复杂地形上仍能4轮抓地。

图14　ServoCity的Nomad四轮驱动越野机器人底盘，请注意其可弹翘设计

2根方槽中只有1根倾斜，这种设计非常适用于越野型机器人，这款重量为2.95千克的Nomad机器人即是一例。

我第一次调试远程操纵装置，就用了一台Nomad机器人。它运行得很顺利，还能顺利从石头上跃起，稳稳着陆（遗憾的是，后来再也没有做到过，仅此一次而已）。

除非你能按照Ackermann（汽车型）模式把前后轮调试好，不然的话，不论是4轮、6轮还是8轮，都会在行驶过程中产生摩擦，极大地浪费能量。

6轮型很适合复杂地形，不过前后轮都要设计成能转动的，而且每个轮子都要有一定的弹跳性能。除非你真的要打造一款实实在在的越野机器人，否则的话，太多的轮子只是看起来比较酷而已，实则牺牲了效率和功能。

给机器人装轮子，就跟给双轴承齿轮马达装轮子一样简单。不过，有时候我们会碰到“完美”的齿轮马达，不论是转速和扭矩，还是电压和能效，都符合要求，但是，就像我上面已经说过的那样，装上轮子后没有抗挠矩能力。

行星齿轮箱马达通常有一套直径同马达一样的齿轮组，安装面上有螺纹孔，可以紧固在安装位置。图15展示的就是一个ServoCity HD行星齿轮箱，可以看到，它是很易于安装的。

图15　ServoCity HD行星齿轮箱马达，装有“mount C”接口

要把轮载荷从马达输出轴上卸下来，就需要使用链式传动。使用两种不同尺寸的链式齿轮，利用齿轮速比增加或降低轮子的转速，并弥补马达有效输出速度不足的问题。

再次建议你去ServoCity的网站看看（www.servocity.com），在那个网站上，你可以从数百种不同的结构模型和机械模型里学到不少东西。

之所以要用两组差速传动马达和轮子，是因为要防止突发状况，比如轮子被门坎或者坑坑洼洼的地面绊到。如果机器人的两个轮脚一前一后，就有可能发生这种情况。只用一个轮脚的话，就不会有这种问题。

如果前后轮脚的其中一只，或两只同时翘起，驱动轮就可能离地，机器人就搁住了。

更有可能的一种情况是，机器人侧向一边，依靠两个轮脚保持平衡，然后只以一个驱动轮发力，驶入平地。

我同Parallax公司合作，开发了一种弹簧支承轮脚（图16），可以缓解上述问题。如果要用这种轮脚，得根据机器人的重量自备弹簧。

图16　弹簧支承轮脚，专为Parallax公司的ARLO底盘设计

弹簧太硬的话，起不到作用。如果太软，行驶在有起伏的地面上就会摇摇晃晃，启动和停止时也会前后摇摆。

结语

设计机器人没有“最好”的方法。实际制造过程中，有太多问题需要考虑。我可以负责任地说，使用本文介绍的ServoCity原型部件，可以帮助玩家节省机械加工的时间，拿来就用。

VEX、Parallax、MINDS-i、LEGO、Tetrix等公司，为玩家提供了琳琅满目的教育版机器人套装，对于学习机器人设计理念来说极其有用。其实，稍微从成品机器人里汲取一点灵感，就能走出自己的路。

Tom Carroll 撰文　雍琦 译

本文节选自《机器人爱好者（第2辑） 》。

内容简介

本书是美国机器人杂志《Servo》精华内容的合集。

本书根据主题内容的相关性，进行了精选和重新组织，分为5章。 第1章介绍了机器人的历史、发展状态以及前景，特别关注了机器手和机器臂的设计和发展、机器人的原型设计和制造、Robot Hut机器人博物馆，以及警用机器人和安保机器人的应用和发展。第2章是新款机器人的产品实测，介绍了HelloSppon机器人和Apeiros机器人。第3章是“跟Mr.Roboto动手做”的专栏文章。第4章是系列文章的合集，包括手工焊接基础的文章，以及一些机器人DIY的文章。第5章是全球机器人领域最新的研究动态和资讯。

本书内容新颖，信息量大，对于从事机器人和相关领域的研究和研发的读者具有很好的实用价值和指导意义，也适合对机器人感兴趣的一般读者阅读参考。

本文转载自异步社区。

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