0 引言
對機器人的研究具有十分重大的科研與實用價值，它可以推動當代仿生學、人工智能、計算機圖形學、機械設計和自動控制等相關學科的發展。機器人的技術水平不斷提高，應用范圍越來越廣，已逐漸走入了人們的生活。為了讓人們更加直觀地了解機器人技術，同時感受多種互動技術在機器人上的應用，本文重點對目前國內擁有的下棋機器人、解魔方機器人、環保舞蹈機器人進行技術分析。這些機器人都很好地結合了科學性、知識性和趣味性，又各有側重點；下棋機器人重在啟發人們的思維，讓人們意識到機器人有像人一樣思考的能力；解魔方機器人重在體現機器人執行命令的準確和堅決；環保舞蹈機器人重點展現機器人的設計和柔美的動作。
1 通用技術應用
機器人作為高端技術的代表，其準確性是衡量性能非常重要的一個指標，智能性又是機器人的特性。為了充分體現機器人的屬性，目前機器人技術模擬了人類的部分功能，如采用智能傳感器、語言系統等。
在機器人技術中，傳感器技術被廣泛使用，以提高機器人的智能性。常用的傳感器包括超聲波傳感器和紅外傳感器。當物體靠近機器人時，傳感器會檢測到有物體靠近，便將信息反饋到控制系統，控制系統會根據傳感器返回的值做出反應。傳感器的應用使機器人的智能性大大提高。傳感器相當于機器人的“眼睛”和“耳朵”，有了它們，機器人就可以了解周圍的情況，并做出相應的動作，完成人們交予的各種工作任務。
機器人的語音應用主要包括TTS(Text To Speak)技術和語音識別技術。語音識別技術讓機器人能“聽懂”語言，TTS技術讓機器人將想說的話大聲“說”出口。語音機器人大部分都配備了TTS設備及語音識別技術。TTS可以對文本文件進行實時轉換，使輸出的語音自然流暢。根據傳感器獲取的信息，機器人可以通過TTS語音合成技術“說”出自己的想法，在恰當的時候給人們提示和意見。我們還可以修改TTS系統的參數，改變機器人語言的音調、頻率、速率和音量。通過TTS系統參數的設定，我們可以根據不同的需求，賦予機器人不同的角色和性格；賦予機器人輕快活潑的性格，使它成為人類的好伙伴；賦予機器人沉穩而堅定的聲音，使它成為機器人科學家。如果說TTS系統是機器人的嘴巴，那么語音識別系統就是機器人的耳朵。語音識別系統可以接收語音信息并加以分析，隨后與語音庫中預存的句子進行比對，當配對成功后，系統將找到與之對應的回答語句，通過TTS向人們廣播。就這樣，配備了語音識別系統和TTS系統的機器人具備了與我們交談的能力。我們可以把這種交談能力賦予一些具有特殊需求的機器人，如迎賓導覽機器人等。
2 機器人設計實例
2.1 下棋機器人設計
下棋機器人外形如圖1所示，由工業機械臂及控制系統、棋盤系統和專家決策系統組成，可以和人們進行中國象棋的博弈。
圖1 下棋機器人
2.1.1 硬件
下棋機器人采用四自由度工業機械臂。多自由度的工業機械臂是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種工業機器人。工業機械臂具有高速、高精度、不間斷工作的特性，能夠代替人類從事大量的重復性、高精度操作，是工業生產不可或缺的重要設備。通過“中國象棋博弈”，該機器人在體現工業機械臂高速、高精度特性的同時，還使人們體驗到其智能性。
2.1.2 軟件
在與機器人互動的過程中，人們可以通過觸摸屏控制自己的棋子，我們每走一步棋，下棋機器人就會做出對應的動作，然后根據專家決策系統的博弈理論決定自己如何走下一步棋。當機器人判斷自身是否獲勝后，會將比賽結果通過圖像界面和語音2種方式告訴人們。
下棋機器人應用Visual C++進行MFC應用程序編程。在整個下棋過程中，系統始終檢測人們是否下棋。如果我們長時間沒有反應，系統將返回初始狀態；如果檢測到我們行棋，系統將判斷我們行棋是否符合規則，然后專家系統分析棋盤面狀況，預測觀眾的行棋意圖，做出自己的判斷，開始走棋；如果檢測到結束，會公布游戲勝負。
2.2 解魔方機器人設計
本文2.1介紹了應用了工業機械臂的下棋機器人的設計。在工業生產中，和工業機械臂類似的氣動元件也被廣泛使用，目前國內解魔方機器人就應用了這種技術。解魔方機器人外形如圖2所示，應用顏色識別技術和解魔方算法，動作使用氣缸驅動。
圖2 解魔方機器人
2.2.1 硬件
氣缸又稱氣動機械臂，有耐用、精確等特點。氣缸具有2個沖程，每個沖程位置上配有傳感器，當氣缸運動到預定位置上，傳感器將返回信號。解魔方機器人配備PLC(Programmable Logical Controller)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。當PLC接到執行命令后，它開啟對應的氣閥，驅動氣缸動作，當氣缸運動到位時，傳感器返回信號，PLC關閉氣閥，氣缸停止運動。
2.2.2 軟件
解魔方機器人的軟件主要包括顏色識別部分、魔方狀態建模部分、解魔方算法部分和解魔方動作執行部分。
顏色識別部分負責識別魔方各個面的顏色。經過圖像處理，采集到的圖像信息被轉換為YCbCr色域。Cb和Cr這2個通道決定了色彩的屬性，通過分析它們的值，就可以區分出不同的顏色。區分出顏色后，我們將顏色信息填入一個已經建立的魔方狀態容器，當所有信息獲取成功后，魔方的狀態也就被完整獲取。這個過程成功地將模擬的圖像信息轉換為計算機可以識別的魔方狀態屬性數字信息。魔方的解法是有規律可循的。魔方由6個面和26個塊組成，根據一系列的公式，我們可以在不影響其他塊的情況下，置換特定2個塊的位置或者旋轉單一的魔方方塊。我們將這些公式加以總結，儲存在一個容器中，再將一系列公式加以串聯，就形成了完整的魔方解法。得到魔方解法后，我們將一系列的動作命令通過串口發給PLC，PLC驅動氣缸動作，完成對魔方的還原。
2.3 環保舞蹈機器人設計
在實踐中，伺服舵機也被廣泛應用于小型機器人，環保舞蹈機器人便采用了這樣的技術。環保舞蹈機器人的材質為環保紙，宣揚了綠色環保的理念。環保紙經過設計切割，在機器人關節部位配置伺服舵機驅動，形成了優美的機器人舞蹈動作。
2.3.1 硬件
通過SolidWorks結構設計，環保紙被激光切割為184個零件，根據裝備圖組裝起來，圖3展示了SolidWorks的結構設計組裝。舞蹈機器人設計了9個自由度，分別為抬頭、低頭、左/右胳膊旋轉、左/右胳膊抬起、左/右小臂彎曲和機器人整體旋轉。
圖3 舞蹈機器人SolidWorks結構組裝圖
根據不同關節位置，可利用下式計算關節上所承受的扭矩：
M=m×g×L
式中，M為關節扭矩；m為機器人各個部分在它們質點上的質量；g為重力加速度；L為質點到關節軸的力臂。
通過這個公式，我們可以大概估算每個關節所承受的扭矩。最終，我們選用了Dynamixel AX-12伺服舵機驅動抬頭、低頭和左／右小臂彎曲；Dynamixel RX-28伺服舵機驅動左/右胳膊旋轉和左/右胳膊抬起；86型步進電機驅動機器人整體旋轉。伺服電機和舵機的扭矩性能參數如下：(1)Dynamixel AX-12伺服舵機：12kg·cm(7V)；16.5kg·cm(10v)。(2)Dynamixel RX-28伺服舵機：28.3kg·cm(12v)；37·7kg·cm(16V)。(3)86型步進電機：4116kg·cm。
2.3.2 軟件
舞蹈設計程序是Visual C++2008，如圖4所示。程序定義了運動函數驅動機器人動作，函數的參數包括全部9個關節的目標位置和運動速度，通過串口發給每個舞蹈機器人（如果舞蹈機器人不止一個的話），動作到位后，給舞蹈機器人發送下一個動作命令，最后多個動作串聯，配合音樂，形成舞蹈。界面的右上方為測試窗口，輸入不同舵機的ID編號、絕對相位值和速度，驅動機器人運動。程序的左側則是為了方便編程加入的函數參數獲取界面，設計者只需要輸入各個關節期望到達的位置度數信息，點擊“Go”按鈕，舞蹈機器人就會執行該命令，設計者確認無誤，按下“形成復制”按鈕，直接將參數導入程序，如此反復，一段舞蹈的設計就完成了。
圖4 舞蹈動作設計界面
3 結語
本文介紹了采用工業機械臂的下棋機器人、采用氣動元件和PLC控制的解魔方機器人和利用伺服舵機和步進電機、宣揚環保理念的環保舞蹈機器人的硬件和軟件設計過程及功能，希望對廣大機器人愛好者有所幫助。
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本文標題：淺析機電與軟件技術在機器人設計中的應用
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