0 引言
对机器人的研究具有十分重大的科研与实用价值，它可以推动当代仿生学、人工智能、计算机图形学、机械设计和自动控制等相关学科的发展。机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，已逐渐走入了人们的生活。为了让人们更加直观地了解机器人技术，同时感受多种互动技术在机器人上的应用，本文重点对目前国内拥有的下棋机器人、解魔方机器人、环保舞蹈机器人进行技术分析。这些机器人都很好地结合了科学性、知识性和趣味性，又各有侧重点；下棋机器人重在启发人们的思维，让人们意识到机器人有像人一样思考的能力；解魔方机器人重在体现机器人执行命令的准确和坚决；环保舞蹈机器人重点展现机器人的设计和柔美的动作。
1 通用技术应用
机器人作为高端技术的代表，其准确性是衡量性能非常重要的一个指标，智能性又是机器人的特性。为了充分体现机器人的属性，目前机器人技术模拟了人类的部分功能，如采用智能传感器、语言系统等。
在机器人技术中，传感器技术被广泛使用，以提高机器人的智能性。常用的传感器包括超声波传感器和红外传感器。当物体靠近机器人时，传感器会检测到有物体靠近，便将信息反馈到控制系统，控制系统会根据传感器返回的值做出反应。传感器的应用使机器人的智能性大大提高。传感器相当于机器人的“眼睛”和“耳朵”，有了它们，机器人就可以了解周围的情况，并做出相应的动作，完成人们交予的各种工作任务。
机器人的语音应用主要包括TTS(Text To Speak)技术和语音识别技术。语音识别技术让机器人能“听懂”语言，TTS技术让机器人将想说的话大声“说”出口。语音机器人大部分都配备了TTS设备及语音识别技术。TTS可以对文本文件进行实时转换，使输出的语音自然流畅。根据传感器获取的信息，机器人可以通过TTS语音合成技术“说”出自己的想法，在恰当的时候给人们提示和意见。我们还可以修改TTS系统的参数，改变机器人语言的音调、频率、速率和音量。通过TTS系统参数的设定，我们可以根据不同的需求，赋予机器人不同的角色和性格；赋予机器人轻快活泼的性格，使它成为人类的好伙伴；赋予机器人沉稳而坚定的声音，使它成为机器人科学家。如果说TTS系统是机器人的嘴巴，那么语音识别系统就是机器人的耳朵。语音识别系统可以接收语音信息并加以分析，随后与语音库中预存的句子进行比对，当配对成功后，系统将找到与之对应的回答语句，通过TTS向人们广播。就这样，配备了语音识别系统和TTS系统的机器人具备了与我们交谈的能力。我们可以把这种交谈能力赋予一些具有特殊需求的机器人，如迎宾导览机器人等。
2 机器人设计实例
2.1 下棋机器人设计
下棋机器人外形如图1所示，由工业机械臂及控制系统、棋盘系统和专家决策系统组成，可以和人们进行中国象棋的博弈。
图1 下棋机器人
2.1.1 硬件
下棋机器人采用四自由度工业机械臂。多自由度的工业机械臂是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种工业机器人。工业机械臂具有高速、高精度、不间断工作的特性，能够代替人类从事大量的重复性、高精度操作，是工业生产不可或缺的重要设备。通过“中国象棋博弈”，该机器人在体现工业机械臂高速、高精度特性的同时，还使人们体验到其智能性。
2.1.2 软件
在与机器人互动的过程中，人们可以通过触摸屏控制自己的棋子，我们每走一步棋，下棋机器人就会做出对应的动作，然后根据专家决策系统的博弈理论决定自己如何走下一步棋。当机器人判断自身是否获胜后，会将比赛结果通过图像界面和语音2种方式告诉人们。
下棋机器人应用Visual C++进行MFC应用程序编程。在整个下棋过程中，系统始终检测人们是否下棋。如果我们长时间没有反应，系统将返回初始状态；如果检测到我们行棋，系统将判断我们行棋是否符合规则，然后专家系统分析棋盘面状况，预测观众的行棋意图，做出自己的判断，开始走棋；如果检测到结束，会公布游戏胜负。
2.2 解魔方机器人设计
本文2.1介绍了应用了工业机械臂的下棋机器人的设计。在工业生产中，和工业机械臂类似的气动元件也被广泛使用，目前国内解魔方机器人就应用了这种技术。解魔方机器人外形如图2所示，应用颜色识别技术和解魔方算法，动作使用气缸驱动。
图2 解魔方机器人
2.2.1 硬件
气缸又称气动机械臂，有耐用、精确等特点。气缸具有2个冲程，每个冲程位置上配有传感器，当气缸运动到预定位置上，传感器将返回信号。解魔方机器人配备PLC(Programmable Logical Controller)，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。当PLC接到执行命令后，它开启对应的气阀，驱动气缸动作，当气缸运动到位时，传感器返回信号，PLC关闭气阀，气缸停止运动。
2.2.2 软件
解魔方机器人的软件主要包括颜色识别部分、魔方状态建模部分、解魔方算法部分和解魔方动作执行部分。
颜色识别部分负责识别魔方各个面的颜色。经过图像处理，采集到的图像信息被转换为YCbCr色域。Cb和Cr这2个通道决定了色彩的属性，通过分析它们的值，就可以区分出不同的颜色。区分出颜色后，我们将颜色信息填入一个已经建立的魔方状态容器，当所有信息获取成功后，魔方的状态也就被完整获取。这个过程成功地将模拟的图像信息转换为计算机可以识别的魔方状态属性数字信息。魔方的解法是有规律可循的。魔方由6个面和26个块组成，根据一系列的公式，我们可以在不影响其他块的情况下，置换特定2个块的位置或者旋转单一的魔方方块。我们将这些公式加以总结，储存在一个容器中，再将一系列公式加以串联，就形成了完整的魔方解法。得到魔方解法后，我们将一系列的动作命令通过串口发给PLC，PLC驱动气缸动作，完成对魔方的还原。
2.3 环保舞蹈机器人设计
在实践中，伺服舵机也被广泛应用于小型机器人，环保舞蹈机器人便采用了这样的技术。环保舞蹈机器人的材质为环保纸，宣扬了绿色环保的理念。环保纸经过设计切割，在机器人关节部位配置伺服舵机驱动，形成了优美的机器人舞蹈动作。
2.3.1 硬件
通过SolidWorks结构设计，环保纸被激光切割为184个零件，根据装备图组装起来，图3展示了SolidWorks的结构设计组装。舞蹈机器人设计了9个自由度，分别为抬头、低头、左/右胳膊旋转、左/右胳膊抬起、左/右小臂弯曲和机器人整体旋转。
图3 舞蹈机器人SolidWorks结构组装图
根据不同关节位置，可利用下式计算关节上所承受的扭矩：
M=m×g×L
式中，M为关节扭矩；m为机器人各个部分在它们质点上的质量；g为重力加速度；L为质点到关节轴的力臂。
通过这个公式，我们可以大概估算每个关节所承受的扭矩。最终，我们选用了Dynamixel AX-12伺服舵机驱动抬头、低头和左／右小臂弯曲；Dynamixel RX-28伺服舵机驱动左/右胳膊旋转和左/右胳膊抬起；86型步进电机驱动机器人整体旋转。伺服电机和舵机的扭矩性能参数如下：(1)Dynamixel AX-12伺服舵机：12kg·cm(7V)；16.5kg·cm(10v)。(2)Dynamixel RX-28伺服舵机：28.3kg·cm(12v)；37·7kg·cm(16V)。(3)86型步进电机：4116kg·cm。
2.3.2 软件
舞蹈设计程序是Visual C++2008，如图4所示。程序定义了运动函数驱动机器人动作，函数的参数包括全部9个关节的目标位置和运动速度，通过串口发给每个舞蹈机器人（如果舞蹈机器人不止一个的话），动作到位后，给舞蹈机器人发送下一个动作命令，最后多个动作串联，配合音乐，形成舞蹈。界面的右上方为测试窗口，输入不同舵机的ID编号、绝对相位值和速度，驱动机器人运动。程序的左侧则是为了方便编程加入的函数参数获取界面，设计者只需要输入各个关节期望到达的位置度数信息，点击“Go”按钮，舞蹈机器人就会执行该命令，设计者确认无误，按下“形成复制”按钮，直接将参数导入程序，如此反复，一段舞蹈的设计就完成了。
图4 舞蹈动作设计界面
3 结语
本文介绍了采用工业机械臂的下棋机器人、采用气动元件和PLC控制的解魔方机器人和利用伺服舵机和步进电机、宣扬环保理念的环保舞蹈机器人的硬件和软件设计过程及功能，希望对广大机器人爱好者有所帮助。
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本文标题：浅析机电与软件技术在机器人设计中的应用
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