机器人的机械设计精选(九篇)

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第1篇：机器人的机械设计范文

关键词：机器人；语音技术；人机交互；写字技术

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0021-03

机器人一直是国内外研究的热点，其中教育机器人则是以激发学生学习兴趣、提高学生综合能力为目标，它在丰富儿童童年生活的同时，激发了儿童对科学技术的好奇心和求知欲。目前，国内已出现了机器人写字相关技术的研究。陈雪华、张学文等人对四自由度写字机器人做了详细的研究，并对其控制系统设计、轨迹规划、运动学仿真进行了详细的分析；宫晓博利用IRB140型机器人做了汉字绘制的研究；但将机器人写字技术与语音技术相结合的研究并不多见。汉王科技推出的“双枪笔”利用语音技术实现了当使用者对着麦克风朗读，相应文字就会自动录入电脑，但这一技术却没能实现书写过程的展示。文章主要阐述基于语音技术的早教写字机器人，通过x、y、z三自由度机构带动笔的运动来展现书写过程。语音控制技术强化了人机交互功能，使得机器人更加人性化。

1 系统总体设计

图1 系统总体设计框图

系统是基于语音技术的早教写字机器人。该机器人能按照使用者的语音命令，驱动其写字机构运动——带动上面的常规绘图笔，完成10以内的算术运算的书写。系统是典型的机电声技术相结合的轮式结构机器人，由STM32F103作为主控芯片，系统按功能由车身驱动部分、写字部分、语音处理部分、电源模块和显示器、播放器等辅助设备组成。系统总体设计框图如图1所示。系统由24V，3A的开关电源供电。机械结构包括车体和写字机构。车体采用四轮式，以安装于后轮的两个直流电机作为驱动；写字机构放在写字板上，一同置于车体中层；在车前方安装了三个互成一定角度的超声波传感器用于避障检测。

2 写字机构设计

图2 “十”字滑块结构

写字机构搭载在写字板上，采用“十”字滑块结构实现XY平面内的任意轨迹运动；曲柄滑块机构实现Z方向的提笔、下笔运动。“十”字滑块结构由导轨座、移动滑块、写字板、滚珠丝杠螺母副和步进电机等部件构成，“十”字滑块结构如图2所示。两个步进电机作为原动机以驱动滚珠丝杠，分别安装在写字板的X轴和Y轴上。移动滑块位于两滚珠丝杠的交点处，滚珠丝杠的螺母带动滑块上的绘图笔实现沿x、y平面内任意轨迹的运动，从而实现绘图笔对平面任意点的遍历。曲柄滑块机构用来完成Z方向的提笔和下笔动作，曲柄滑块机构如图3所示，它能将圆周运动转换为直线运动，笔固定于滑块上，通过舵机转动控制曲柄的圆周摆动从而使滑块沿Z方向上下移动。

图3 曲柄滑块机构

3 写字功能的实现及写字算法

该功能旨在完成10以内的算术运算。一个完整的算术运算由运算元和运算子构成，例如“3+6=9”。以下将运算元和运算子统称为运算单元，不同的运算单元又由不同的直线、斜线、圆弧等组合构成。在XY平面，两个57系列的步进电机带动写字机构运动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。电机的驱动为TB6560驱动板，由于电机的步距角为1.8°，再经一定的细分后，定位将更加精确。

由STM32产生一定频率、一定时间的PWM波使步进电动机完成相应的转动，滚珠丝杠能将步进电机的旋转角度转换为绘图笔相对于坐标轴相应距离的直线运动。当一个电机转动而另一个电机不转动的情况下，可完成横线或竖线的书写；当两个电机同时转动，完成斜线的书写，斜线的斜率取决于两电机转动频率差值；由于圆弧可看成由若干斜率不同的细小的直线段构成，虽然电机的转动对时间是离散的，但电机的步距精度很高，可以实现圆弧的书写。

以绘图板左上角为坐标原点建立X-Y平面坐标系。设A（x1，y1），B（x2，y1），C（x3，y1），D（x4，y1），E（x5，y1）分别为书写过程中五个运算单元的起始坐标。程序根据对脉冲的计数可定位出绘图笔当前的坐标P（xp，yp），计算过程如下：

书写第一个运算单元时，以A（x1，y1）作为笔的起始坐标。设定控制X轴向运动的电机的最小步距角为θ0，某段时间内微控制器输出给X轴向电机的脉冲频率为fxk，对应脉冲个数为nxk（k=1，2，3，...），则此时间段内该电机转过的角度为θxp，有

（1）

设步进电机输出轴半径为R0，则笔的当前X轴向坐标为xp，有：

xp=x1+R0θxp （2）

同理，对Y轴向上的运动有：

yp=y1+R0θyp （3）

（4）

弧线的书写是算法实现过程中较为复杂的部分，下面介绍从A点开始画半径为R的弧APn的算法实现过程。如图4，将圆若干等细分后每部分弧线均可看做直线，且对应的圆心角为α°。设笔已经完成了弧APn-1的书写，弧Pn-1Pn近视等效为直线Pn-1Pn，此时：

（5）

（6）

将xPn-1，xPn的值分别代入式2中的x1、xp，联立式1和式2，即可求出书写弧Pn-1Pn这一过程中X轴向电机接受单片机输出脉冲个数nxk。同理可求出yxk。

当完成一个运算单元的书写，滑块上的舵机完成Z方向提笔，接下来需完成由上一个运算单元的结束位置（x'p，y'p）到下一个运算单元的起始坐标（xk，yk）（k=2，3，4...）后落笔的动作，然后书写下一个运算单元。

图4 画弧示意图

4 机器人驱动及避障的实现

系统利用两个差速电机提供动力，采用L298作为此电机驱动。为解决单个超声波的检测不准确的问题，系统使用3个超声波传感器，通过计算出最小盲区和最小干扰范围，设计出合理的超声波传感器摆放位置。超声波测距的公式为：

L=C×T （7）

式中L为测量的距离长度；T为超声波从发射到接收的时间间隔的一半；C为超声波在空气中的传播速度，计算公式为：

C=C0+0.607×T℃ （8）

C0为零摄氏度时的声波速度332m/s，T为环境当前的摄氏温度，这样补偿了温度变化对于超声波传播速度的影响。

系统依靠3路超声波进行距离测量，得到3个方位的距离数据后进行判断，当距离小于最小避障距离30cm后，底盘上两直流电机形成差速使机器人避障。具体策略如表1所示：

表1 超声波避障策略

传感器编号 策略

左 中 右 左转优先

0 0 0 前进

0 0 1 左转

0 1 0 左转

1 0 0 右转

0 1 1 左转

1 0 1 后退

1 1 0 右转

1 1 1 后退

注：图示：1.进入避障范围；0.不在避障范围

5 语音控制技术

语音控制技术包括语音识别和单片机控制技术。

系统采用以IC公司LD3320语音芯片为核心的ASR（Automatic Speech Recognition）模块，实现语音识别功能。系统通过稳定的算法可完成非特定语音识别，不需要用户事先录音和训练。经测试，在口令触发模式下识别准确率高达95%，非口令触发模式下识别准确率可达70%；内置功放电路，麦克风、立体声耳机和单声道喇叭，方便与芯片管脚连接；用户每次可设置50项不超过79字节的拼音串候选识别句。

语音控制框图如图5所示，图中“LD3320与电路”实现将采集到的非特定语音信号转化为数字信号，并与语音库进行信号匹配，确定有用信息及信息内容，并通过串口将有效内容以十进制数方式传递给主控制器，主控制器控制执行机构做出相应动作，同时MP3模块发出提示音。

图5 语音控制框图

6 实验验证及总结

实验证明，本系统能较好地实现早教功能；写字机构运动稳定、噪声小，定位精度达90%，所写字迹清晰，圆润，书写结果正确率达99%；语音控制方便、灵活，识别准确率高达95%。通过使用者与机器人的良好交互，机器人完成的书写效果如图6所示。

图 6 写字效果图

参考文献

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（2）.

第2篇：机器人的机械设计范文

关键词：人机工程；医疗器械；设计；

中图分类号： S611 文献标识码： A

前言

随着社会发展、技术进步、产品更新、生活质量与效率的提高, 人们更加注重医疗器械产品的方便、舒适、可靠、安全和效率等各种指标。很多进口医疗仪器也都提出了符合人机工程的设计，人机工程是研究人、机器、工作环境之间相互作用的学科。2012年1月18日国家科技部印发了《医疗器械科技产业“十二五”专项规划》，指明“十二五”期间医疗器械产业的重点产品方向、重点布局任务和政策保障措施。规划中将人机工程作为关键技术提出， “充分利用先进制造、微纳技术、生物力学、人机工程、计算机科学等领域的最新进展，重点开展…等新型医用材料的设计、制备、制造等技术瓶颈” ；“重点发展数字化医疗、医学虚拟现实、人机交互设计、生物医用材料加工与制备、精密制造、电磁兼容、可靠性设计等共性技术”。

医疗器械中人机工程学的特点

人机工程学的显著特点是在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人- 机- 环境”系统。这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体的性能。医疗器械直接或间接地作用与人体决定了人机工程质量和使用的安全性。随着科技的发展，医疗器械的内部结构和操作控制装置变得越来越精准，可靠性也大大提高。而人的生理机能却没有多大进化，因此就需要对医疗器械进行人机工程学设计，使其适用人的操作，达到人机和谐统一。

人机工程设计理念在医疗器械设计过程中的应用

人的因素是人机工程设计的主要研究内容, 是人机系统优化设计的核心。而医疗器械产品是与人体生命密切相关的特殊产品, 其人机工程设计比其他工业产品的设计更具有特殊性, 应该始终以人为中心进行设计。通过人机工程学的研究, 使医疗器械产品在满足医疗功能要求的同时, 充分满足医患的各种需要,真正体现以人为本的现代设计理念。随着人机工程学的迅速发展和广泛应用, 必然会将医疗器械的设计水平推到崭新的高度。

医疗器械产品在以人为中心设计过程中主要包括以下4 个环节：

（1）详细说明医疗器械用户的要求；

（2）医疗器械产品设计解决方案；

（3）根据使用性要求评价设计；

（4）理解并详细说明使用的范围。

医疗器械以人为中心设计应从工程的最初阶段就开始，而且应该反复，直到系统符合要求。

图1医疗器械以人为中心设计关系图

实例分析以人为本的医疗器械设计理念

3.1 遥控胃肠x射线机设计考虑的因素

当设计普通的家用电器产品时，产品购买者就是产品的最终使用者。但是对于医疗设备而言，是由医院的管理者来购买，由医生和护士来操作，当然最终是由患者来接受治疗。这意味着我们需要满足3组顾客的需求，并且这3组使用者需要的和关心的优先顺序各不相同，作为设计师应该考虑各方面的因素。

3.1.1 医院环境

首先是医院自身的环境即物质环境。医院里的任何产品都必须是无菌的，易于清洗、经得起可能使用的任何腐蚀性液体。在许多医院里，医疗设备的体积通常都很庞大，对空间的需求很大。所以必须考虑医院的门窗尺寸和天花板的高度，当然还要考虑这些设备可能占用的地面面积。设计师还需要考虑医院的色彩系统，传统医院的色彩系统是白色或浅色系列。

3.1.2 医疗团队

设计师需要满足医疗团队的要求：首先，显示资料的电脑显示屏和控制面板应当是清楚的。对于某些特定的设备，还需要考虑辐射问题，也就是说工作人员在操作时还需要穿戴防护服。其次，设计要考虑设备的照明条件，不同的照明条件会引起用眼疲劳，因为有时需要非常明亮的灯光以便操作，有时需要微弱的灯光来观看荧屏。灯光持续地忽明忽暗会导致用眼疲劳。

3.1.3 患者

设计师在为患者设计时，实际上考虑的主要包括舒适、顺畅的动作等。患者被送入一台大型机器会有不安的感觉，有时还要伴随着机器的抽搐、噪声和不舒适。同时患者的动作也需要考虑在内，机器设备上不应有任何可能缠住或勾住的东西，这很重要。另外，避免不必要的辐射泄漏也应该是考虑的重点。在设计医疗设备时需要考虑患者、医护人员和管理人员的利益。

3.1.4 心理反应

设计师在设计医疗器械时必须牢记上述非常实际的考虑。但实际上，这3组顾客更多的心理和情感的反应也非常重要。设计师试图设计可以激发人们某些特殊反应的产品。如听到医院的管理者说设备的性价比很高，说这个产品易于安装、维护和清洁（因此价格便宜），经过长年使用，外观一直很好看。设计师想从医疗团队身上看到医疗团队不受身旁科学仪器的干扰，把注意力集中在病人身上。设计师还试图让产品具有直觉的操作方式，让医生和护士都觉得操作自然，就是说设备几乎就是团队的一部分，与医护人员和谐工作，而不是各自为政。设计师希望医疗团队对设备的运行速度感到满意。同时也希望医疗设备的操作明确、感受良好、使用者不易疲劳。设计师也把空间占据和美学考虑其中，让医护人员觉得他们的工作环境舒适愉快。希望从患者也能感到安心和放心。

3.1.5 遥控胃肠X射线机设计创新点

在医疗器械行业中，特别是作为直接对病人进行诊断、治疗的大型医疗器械，具有功能形态语义特征是很明显的。它们的形态完全是围绕对病人准确诊断及有效治疗展开的。遥控胃肠X射线诊断机的形态由以下几个部分组成。

(1) X线定位系统

(2) 诊断床:病人将躺在上面完成诊断,床面可以左右的运动。

(3) 定位控制系统 它由控制台组成。

从这台X射线诊断机可以看出,产品形态复合着多种功能语义,而这些语义是由医疗器械行业的功能特性所决定的,设计师不能离开这些功能来设计产品形态。考虑患者、医护人员和管理人员三者的利益确定了X射线诊断机的设计方向——人性化设计。这台诊断机在造型设计上，尽量避免产品给人产生的笨重、粗糙、冰冷的感觉，使用一些平行的线条，还有圆弧过渡，使产品造型活跃又不失整体，从而缓解大型医疗设备给患者带来的恐惧感，使患者感到安心和放心，体现了医疗设计的人文关怀。从人机工程学的角度设计电脑显示屏和控制面板，使医疗设备的操作明确、感受良好、使用者（医疗团队）不易疲劳。这台诊断机易于安装、维护和清洁，性价比高。

总结

综上所述，医疗器械是一类特殊的产品,要求对人的心理和安全性以及易用性都要加强研究力度, 从人机工程的角度设计医疗器械, 需要考虑的因素又是多方面的。这些因素往往错综复杂, 需要在设计过程中, 从系统的、综合的角度去考虑这些人的因素, 才能在医疗器械设计中充分体现人文关怀, 才能提高设计水平和产品的质量、提高产品的竞争力, 在市场中抢占先机。

第3篇：机器人的机械设计范文

关键词：医疗器械；人性化；国际人类工效学；家庭医疗保健工程；功能设计

中图分类号：R197文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）13-0155-03

1医疗器械设计中贯穿人性化存在着必然性

医疗器械不同于市场上销售的其它产品，它的医疗价值使其在设计方面需要高度重视使用安全性，其次才是操作的便利性、舒适性等要求。医疗器械的不同相关者对于医疗器械重视的侧重点不同，例如，购买人员（通常是医院的医疗管理人员）在采购医疗器械时，通常会综合考虑医院环境和工作效率等方面的因素，因而非常关注所采购的医疗器械具有怎样的移动性、体积、造型、色彩以及工作性能等方面的因素；使用人员（通常是医院的医护人员）则是更加关注使用的灵活性、操作的舒适性、观察的清晰性以及器械本身的安全性等方面的因素；受用人员（一般是医院的病人）则是主要考虑医疗器械操作的安全性、承受的舒适性以及作用的有效性等方面的因素。因此，医疗器械的生产厂家在设计相应的医疗器械时，必须要综合考虑购买人员、使用人员和受用人员三方面的需求，唯有如此才能够在真正意义提高医疗器械的设计水平，体现人性的关怀。

时代的不断发展尤其是人们健康意识的不断提高，当前的医疗服务模式正在发生着巨大的转变，即从单一模式向多元化模式的转变，具体而言就是，从单纯性的临床医疗救治转变为院前预防和急救、院内治疗和康复、家庭护理和保健的多层次、多元化的综合性的医疗保障模式。HHC（家庭医疗保健工程）是目前国际医学界提倡的新型医疗服务模式，HHC模式不仅能够在很大程度上减轻社会和病人本身的医疗负担，同时也更加能够大幅度提升病人的康复进程和健康状况。例如，在某些欧美发达国家，在允许范围内尽量降低患者的住院周期已经成为一种发展倾向，在此背景下，越来越多的医疗器械从医院流向了新型的消费群体（家庭和个人），由于通常病人亲自操作和使用医疗器械，他们不仅是医疗器械的受用人员，也兼具了使用人员的角色。所以，在医疗器械的设计中更加重视人性化因素的体现是客观实际需求。我国的医疗水平虽然整体上和欧美发达国家有着较大的差距，但是因为我国的医疗水平提升速度较快，也必然会经历与欧美发达国家相似的经历，因此，医疗器械生产厂家加强对医疗器械设计中人性化因素的渗透，是顺应时展潮流的应时之举。

2人性化设计及其在医疗器械设计中的应用

2.1人性化设计概述

2.1.1明确概念

所谓的人性化设计主要包括两个方面的内涵：首先，坚持将人机工程学作为基本的设计原则。人机工程学要求要把人的心理需求作为出发点，将人的生理需求作为具体表现手段，实现医疗器械和人之间的和谐关系，将医疗器械对于人的适用性发挥到最大水平，实现人体机能的综合性平衡，进而在最大程度上保障人的身体健康。其次，重视人的感性需求在医疗器械设计当中的体现。具体而言，在设计医疗器械时，应该在满足医疗功能和确保产品安全的前提下，协调和平衡人的情感因素，重视产品色彩和产品外形对于人的精神和情绪的影响，在细节中体现出人性化的设计理念。因为医疗器械产品不同于普通的市场产品，所以在要求它具有高质量保障、高技术含量以及高精度要求的基础上，也应该根据人们的心理需求和生理需求，在医疗器械设计过程融入安全性、舒适性和宜人性的设计理念，并照顾人类的情感特性，满足人机工程学的设计要求；在细节方面，更加应该重视良好的操作性和使用方便性，延缓使用过程疲劳感觉的来临时间，在最大程度上贴近使用人员的操作要求和主观感觉。

2.1.2关注生理层面的设计

IEA（International Ergonomics Association，国际人类工效学）对人机工程学进行比较明确的阐释，即该学科主要以研究以下内容为：研究人类在日常生活中、实际工作中以及休闲度假中实现人的身体健康、心理舒适和工作效率统一协调的方法和途径；研究人类与环境、机械的相互作用关系问题；研究人类在特定工作环境当中心理学、生理学以及解剖学等方面的相关因素。对于医疗器械的设计而言，将人机工程学原理运用到产品设计的全部流程当中是融入人性化设计理念的重要体现。对于人机工程学而言，医疗器械设计首先需要解决的问题是舒适性，即满足人们在生理层面的要求；其次需要解决的问题亲和感，即满足人们在心里层面的要求。

2.1.3重视心理层面的设计

人性化设计理念中，心理层面的设计是非常重要的环节。人们在接触并并使用医疗器械时，不可避免地会对该产品产生各种各样的心理反应和心理感觉，这些感性因素有时直接决定了人们对于该产品的喜恶程度。从设计的角度来看，设计中考虑的感性因素是以认识心理学为理论基础的的认知判断，所以，这些感性因素应该包括体量感、空间感、运动感以及生命感等众多方面，人们在自身特有的阅历、经验、记忆以及文化等因素的自觉作用下会将以上感觉上升成为一种比较高级的情感因子。正是基于以上理论基础，医疗器械的设计不仅仅要重视功能方面和经济性方面，同样应该关注感性因素对于产品的重要影响。在医疗器械设计中合理地融入感性因素，能够让该产品具备一种天生的信任感与亲近感，获得相对于其它产品的更多的亲和力，在市场上便表现获得更多消费者的青睐和更高的市场占有率。我们同样应该认识到，人们的感性因素不是一成不变的，它们会随着时代的发展、社会的进步以及人们自身素质的提升会出现变化，因此，将感性因素融入到医疗器械设计中的总体原则是：以彰显企业风格和时代特征为基本前提，以满足人们的精神需求和审美需求为重要标准，重视产品的色彩搭配和外形塑造，实现人机关系的合理化与心理作用的显性化。

2.2人性化设计在医疗器械设计中的应用

2.2.1以使用功能为基础

显示装置的作用是对用户的操作和各种状态作出反馈和提示。所以在设计上应力求简洁、明确、清晰，且数码或液晶显示截面上应尽可能少作装饰和过多的色彩处理。色彩上一般采用低明度、低纯度的中性色为底色和背景，显示字体可采用背景的对比色，以增强显示效果。另一方面，在显示界面设计时，应减少显示器的视觉密度，控制好显示界面的视觉平衡性，并要考虑内容的配置与看见裕度的保留。有时适当的留白会使整个界面看起来清楚且美观。对一些大型的CT类医疗设备，有数码和液晶显示部分，应该在数码显示管、液晶显示屏外加装饰板，以加强显示效果。操作装置的作用是用户通过它对器械输入指令，使器械按照人的旨意工作。人是通过手来实现各种控制的。在人机操作中手处于中心地位，这就要求手的动作在人机界面中处于方便、安全、舒适的区域。如拉手的设计应该力求做到美观实用，兼顾东西方人的特点，这样才能较好地满足国内外用户要求。按键设计应该尽量避免采用指甲不能完全接触的光滑薄膜开关以及无手感的按键，按键设计应该尽量增加手的触感，便于舒适地操作。旋钮设计应注意增加适当的阻尼，以保证旋钮能较好地定位和操作。

2.2.2以情感功能为提升

作为功能的载体，产品主要是通过形态和色彩来实现的。而作为功能的诊释也是由形和色来完成的。在家庭医疗器械的设计中应该注意利用人特有的感知力，通过类比、隐喻、象征等手法描述。医疗器械必须通过自身的造型解说力，使用户可以很明确地判断产品的属性。设计的时候应该把各功能模块用形态和色彩加以区分，让人轻易就能明白哪些属于看的，哪些属于可动的；哪些是危险的，不可以随意碰的；哪些部分是不可以拆解的。构成器械的部件、机构、操控等部分的形态要符合使用者的习惯。改良时要注意，应该保留原产品部分合理的形态，并把这种形态语意扩展到整个产品中，这样既保证统一的视觉形象，又能节省一定的开

发成本。

参考文献

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[7]王殊轶，钱省三．医疗器械设计中的人机工程设计研究

第4篇：机器人的机械设计范文

【关键词】 理性经济人 社会人 民办教育企业 员工管理 协调

引言

（1）研究对象描述

民办教育行业在《民办教育促进法》中可理解为“民办非企业”性质，但其实际的运作中以企业的方式进行，因此本文将民办教育机构称之为民办教育企业。民办教育企业中的员工主要是大量教育工作者和行政人员，少部分后勤、安保等员工，前者的性质为掌握丰富知识、在工作上有独特思路和诉求的知识性员工。在民办教育企业出现到现在的二十多年的时间内，企业的创始人和投资者的眼光主要投向了招生、征地、基建、升级等硬件建设上，在各民办教育企业激烈竞争的今天，其核心竞争力已经不是硬件的比拼，而是内涵的建设。

而民办教育企业中的知识性员工，在投资者的重建设轻内涵的思路下，没有得到应有的对待。同时，社会对其给予“社会人”的期望，自身又面临生活成本以及管理者企业式管理，使得民办教育企业中的员工处在“经济人”和“社会人”的人性认同中困惑与挣扎，这对民办教育企业的内涵建设带来了巨大的障碍。

（2）应用现状与评价

至今，学者们对于员工人性特征的研究主要集中在两个阶段。

“经济人”研究阶段：苏格兰的政治经济学家亚当·斯密1776年发表了《国富论》，提出了“经济人”观点。在其著作《科学管理原理》中阐述了工作定额原理、标准化原理、能力与工作相适应、差别计件工资制等思想。这些思想将科学引入了管理领域，使生产效率提高了二三倍。但他把工人看成是会说话的“活机器”，工人劳动异常紧张、劳累；把工人看作是纯粹的“经济人”，认为工人的活动仅仅出于个人的经济动机，忽视了工人的感情，引起怠工、罢工以及劳资关系日益紧张。

“社会人”研究阶段：20世纪20年代以后，“经济人”假设表现出很大的局限性，管理者开始注意到了“人”具有不同于“物”的许多特殊的方面，需要管理者采取不同的方式来加以管理。在这一时期做出突出贡献的是美国管理学家梅奥，他的霍桑试验成为跨时代的经典试验，从此“情商”成为重要的管理资源，被称为人际关系学说。主要观点：工人是“社会人”而不是，“经济人”，要满足工人的社会欲望，提高工人的士气；企业中存在着非正式组织。

2011年全国民办高校企业在670所左右。目前高等教育毛入学率在27%，民办高等教育贡献4%-5%。民办高校专任教师即知识性员工的数量近年迅速增长，2011年比2003年增长了2.1倍左右。但民办教育企业仍存在“高入职，高离职”的状况，这与整个企业管理体系中错误对待知识性员工角色认定和人性认定有很大关系

（3）本文目的

本文运用经济学、管理学以及相关边缘学科知识分析上述问题，提出①运用“理性经济人”、“社会人”、“个性人”三者的协调来激励员工②抓紧正负强化，拓展并构建宽泛的管理制度体系③满足“个性人”需求，完善民办教育企业的员工激励体系。

1. 文献综述

1.1经济人的思想渊源

经济人思想承认利己为人的自然属性，是本能的、先天的。又承认利他是人的社会属性。在社会经济生活中，利己与利他的关系一般表现为如下三种类型：主观利己客观利他，结果是互利；利己-利他-利己，借助利他手段达到利己目的；利己-损人-利己，通过损害他人利益达到利己目的，这种类型是斯密所否定的。

经济人假定的思想渊源。在我国古代，最早公开提出以“利”字为其哲学纲领的是在晚周诸学派中的墨翟。墨子也时常提到义，但以利为归依。认为利是社会伦理基础，分辨义与不义要依据其行为，以利人与不利人为标准。

经济人假定是商品社会的产物，普遍适用于市场经济体制。自19世纪始，西方世界空前繁荣，尽管存在相对贫困，但人们的生活水平总体上上升到了前所未有的高度。经济人假定尽管有科学合理性，但不是万能的。

1.2我国古代人性假设理论的演变和发展

1.2.1性善论与“社会人”

早在两千多年前，春秋末期思想家、政治家、教育家，儒学学派的创始人孔子（公元前551--公元前479）在他的在《论语·阳货》就提到“性相近也，习相远也。”朱熹《论语集注》中说：“此所谓性，兼气质而言者也。气质之性，固有美恶之不同矣。”这里的“性”虽然不完全指人的本性，而兼指人的天生气质之意，但它却隐含了人性本善的意思。

1933年管理学家乔治·埃尔顿·梅奥（George Elton mayo，1880--1949）在其发表的《工业文明的人类问题》一书中首次提出了社会人（Socialman）假设理论，并通过1927-1932年在美国芝加哥郊外的西方电器公司进行的著名的“霍桑试验”得出结论：人是社会人，影响人生产积极性的因素，除物质因素外，还有社会、心理因素；生产率的高低主要取决于员工的士气，而员工的士气受企业内部人际关系及员工的家庭和社会生活影响；非正式组织的社会影响比正式组织的经济诱因对员工有更大的影响力；员工最强烈期望在于领导者能承认并满足他们的社会需要。所以，要调动员工的工作积极性，必须使员工的社会和心理需求得到满足。

1.2.2性恶论与“经济人”

我国战国时期著名的思想家，先秦唯物主义的集大成者荀子（约前313-前238）在其《荀子·天论》中说：“好恶喜怒哀乐臧焉，夫是之谓天情”也就是说人的好恶、喜怒、哀乐是天生就有的，所以叫做“天情”。

美国著名行为科学家道格拉斯·麦格雷戈（Douglas M·Mc Gregor，1906～1964）在《在企业中的人性方面》一书中将这种人性假设概括为X理论。经济人假设认为：人是由经济诱因引发工作动机的；人总是被动地在组织的操纵、激励和控制下从事工作；人总是企图用最小投入取得满意的报酬；大多数的人缺乏理性，不能克制自己，很容易受别人影响，组织必须设法控制个人的感情。荀子的理论与之即有共同点。

2. 提出问题

2.1“理性经济人”带来的雇佣意识和打工意识

民办教育企业的知识性员工即教师的每年的流动率大概在10%到20%之间，总体呈现“进的多、走的也多”的现象。出于理性经济人的考虑知识性员工会有如下表现：

2.1.1一些知识性员工把民办教育企业当作一时的过渡，有些年轻教师硕士毕业后由于未找到合适的工作，选择暂时呆在民办高校，等考上博士或者找到理想的工作后再跳槽。

2.1.2不稳定性与雇佣意识。外地教师往往受原单位政策或家庭因素变化的影响，随时有“打马回朝”的可能；离退休教师受年龄、体质的限制，工作周期短；兼职教师须经本学校同意并在完成本职工作任务的基础上，方可兼课，因而也处于变动之中；同时，由于各民校之间的不正当竞争，以及经济分配等原因导致不少教师的无规则流动。

2.1.3事业心不强与打工意识。来自于公办高校的离退休教师觉得自己的辉煌时代已成历史，年过六旬不必再把自己搞得太辛苦，夕阳的余辉热量有限；外地不少教师往往产生“短帮工”思想。他们的工作积极性依赖于学按的经济支付标准和管理者的领导艺术来调动。来自于对事业的忠诚、对社会的负责、对学生的热爱而产生的内动力减少；兼职教师前文已经提到“兼”当然就不可能“全”，完成任务为其基本工作目标。

2.2“社会人”理念产生的管理效率问题

在民办教育企业中，在内部管理中教育式管理往往较之企业式管理而占上风。作为高层知识性员工的教育CEO即校长往往以教育、感化、自由等难以量化的方式来管理知识性员工。工作的执行程度与效率仅靠知识性员工的认识和自觉，工作效果的测量往往没有一个量化的标准，且主观性较强。

而面对民办教育市场的激烈竞争，以及民办教育企业外在企业化的运作，使得其不得不考虑管理效率的问题。于是，如何衡量和控制知识性员工在“社会人”管理背景下的效率，成了民办高校企业发展的瓶颈之一。

2.3游走于“理性经济人”和“社会人”之间，使管理者无所适从

在知识性员工需求的低层次上，民办高校企业可以发挥资源配置的优势，保障满足员工的“理性经济人”的需求。如在工资待遇、住房分配、职位级别等方面保证按劳分配、多劳多得、公平正义。这是最容易操作，也是民办教育企业投资人最擅长使用的方式。

然而，民办教育企业的员工为一类特殊的员工即知识性员工，其对“社会人”的需求也丝毫不亚于“理性经济人”。知识性员工出产的产品是无形产品即学生的能力，其自身的高层次需求也是无形的，如尊重、归属感、自我实现等。在次反面，作为教育CEO的校长最懂得满足其需求。

但民办教育企业是董事会领导下的校长负责制，董事会负责企业外部管理，教育CEO负责内部管理。事实上已经是“管理上的两层皮”了，再加之董事会与教育CEO在管理理念、行为方式、权力争夺等方面的博弈使得整个民办教育企业的员工管理处在“理性经济人”和“社会人”之间游走的状态，这很容易产生管理上的混乱和矛盾。

3. 方法与分析

3.1行为分析

ABC模型也叫做三维可能性模型，三维是：先前条件、行为、和后果。三维可能性模型指的是每一个行为都受它之前的环境、条件、和它产出的后果影响。

前提（ANTECEDENT）：先决条件，一些状况，可以导致后面行为的信号等等。

行为（Behavior）：收到前提所刺激的反应行为，“前提”可以说是“行为”的“因”，而“行为”是“前提”的“果”。

结果（Consequence）：就是“行为”所产生的“结果”，而这个“结果”，又会成为下个“行为”的“前提”。如果，这个结果/前提是好的，那么特定的行为就会重复出现。

一般在分析的时候，会用一个表格来进行：

表1 三维可能模型

由表1的启示可知，在对民办教育企业知识性员工的管理中，管理者如果不期望员工打工意识和雇佣意识的出现，则要从员工出现此状况的结果和前提入手。民办教育企业给予知识性员工结果：知识性员工得到了什么；知识性员工没有获得什么。后者往往是造成其离职率高的原因。知识性员工出现两种结果的前提：知识性员工期望得到什么。

于是，管理者只要抓住知识性员工期望得到什么，没有得到什么这两个问题深度挖掘，便是解决此问题的关键。

3.2强化理论分析

美国心理学家斯金纳提出的强化理论认为人的行为是其所获得刺激的函数。如果这种刺激对他有利，则这种行为就会重复出现；如果对他不利，这种行为就会减弱直至消失。强化可以分为正强化和负强化两种。正强化就是奖励那些符合组织目标的行为，以便这些行为得到进一步加强，从而有利于组织目标的实现。负强化指惩罚那些不符合组织目标的行为，以使这些行为消弱甚至消失，从而保证组织目标的实现不受干扰。

由此理论，民办教育企业管理中，知识性员工的某些工作的效率难以衡量时，也无需精确的标准去衡量，管理者只需要给出正向引导并配合相应的奖励使其朝着自己预期的目标前进。同时，给出负向激励措施，即给出管理“底线”或“高压线”凡是员工触及此线则给予惩罚。正强化和负强化相互配合，达到“前拉后截”的效果，把对知识性员工的管理放在一个较为宽泛的范围，这样即达到了发挥知识性员工工作自由与自主的作用，又将难以衡量的工作制定了一般的衡量标准，从而达到提高民办高校员工管理效率。

3.3“经济人”、“社会人”、“个性人”综合分析

本文认为人的特点不仅包括外部物质环境塑造的经济人和后天社会环境培养的社会人，也包括先天带来的个性人，是这三者的综合。本文提到的个性人指的是人作为个体，在面对独立处理的工作内容时，具有先天带来的不同于别人的特点，包括独立性、性格、气质等特点。

经济人与社会人并不矛盾，而且可以起到相辅相成的作用，经济人保障了知识性员工的生活需要，社会人满足了知识性员工归属感的需求，此二者可以同时满足，只要相互保持各自的度就不会发生矛盾。个性人则实现了每个人不同于别人的特色，这种特色就是人的本色。满足了知识性员工的个性人需求就做到了以人为本，这也是员工幸福感产生的源泉。

4. 研究结论

4.1“理性经济人”与“社会人”的融合

经济人的启发

经济人的理性：遵循经济规律，力求收益最大化。对于民办教育企业的管理者要认识到：

4.1.1经济人表现出的是人的本能，不但不干扰人的正常经济行为，而且还是经济行为的基础和动机。追求最大化满足的欲望，使民办教育企业合理投资、生产、交换、消费等等，也为知识性员工的“理性经济人”需求的满足奠定基础。

4.1.2经济人最求的利益最大化则是人的能力水平描述，是人思维行为的能力表现。它是中性的，无优劣之分。

4.1.3理性经济人是经理规律的体现，如果民办教育企业不遵守理性原则，生产成本，不问价格，无论优劣，则经济规律就不复存在，民办教育企业的生存就会出现危机。

由此可见，民办教育企业在宏观管理层面要最求“理性经济人”理念，而且其本身应当做理性经济人，这样为企业生存提供保证。

4.2构建“控制两边，放松中间”的管理制度体系

运用强化理论。首先，民办教育企业的管理者对员工的管理要将重点放在正强化的吸引和负强化的截止上。让知识性员工消除教育管理和教育产品的无形、无法衡量和无边无际的意识。在正强化和负强化之间则拓宽幅度，给知识性员工充分的发挥自我才能的空间，充分展示其特性，使其的价值真正体现，实现其受尊重、归属感、自我实现的需求。

4.3个性人的需求的满足

知识性员工的“个性人”需求，其发挥作用的原因主要是通过不同于别人的特色来展现自我价值，实现自我。对于民办教育企业要对员工实行人性化管理，表现为：

4.31重视与知识性员工情感的沟通

“人之相识，贵在相知；人之相知，贵在知心。”在实际工作中，民办教育企业的中层、高层管理者要做到“两个结合”：一是把关心知识性员工的工作与生活结合起来。管理者必须深入了解知识性员工工作的适应程度，工作进展和任务完成情况。二是把关心其个体成长与团队发展结合起来。从满足知识性员工“自我实现”的需求出发，管理者必须把组织目标的实现与员工个体职业目标的实现结合起来。

4.3.2营造知识性员工发展的良好环境

民办教育企业要根据知识性员工个人的兴趣、特长和能力，为其提供能充分发挥才能的舞台和机会，不断创造条件，优化知识性员工的工作、生活和学术环境。给其创造一种人文环境，满足丰富知识、扩大视野的需要；创造一种学术环境，提供施展才华的机会，满足提高学术水平，实现个人价值的需要；要创造一种相互尊重，充分信任，关心爱护的人际环境，使知识性员工置身于和谐、温暖的环境中。同时协助解决知识性员工的住房、婚恋等方面的需求，使其感受到家人般的关怀。

参考文献：

[1] 刘静暖，长春税务学院经济系，由经济人的思想渊源到理性借鉴：在构建和谐社会中的反思，理论前沿，2007.10.

[2] 范林榜、黄 燕，四川师范大学经济学院，价格弹性理论在民办高等教育中的应用.

[3]李爱娥，湖南信息科学职业学院，论民办高校青年教师流失原因及应对措施.

[4] 邓奎伟，浅谈民办高校教师人性化管理，成功·教育，2007-11-1.

[5] 李一龙，民办高校教师流动频繁问题有待解决，2010/09/07 00：00 来源： 北青网 北京青年报.

[6] 周敦耀.论人性假设.广西大学学报（哲社版）[J]，2000（6）：1-8.

[7] 李晓春.试论荀子对告子人性论的继承与扬弃[J]，孔子研究，2002（4）：29-36.

第5篇：机器人的机械设计范文

【关键词】虚拟仿真设计；六足机器人；Inventor；运动仿真

【中图分类号】G64.32 【文献标识码】A 【文章编号】

引 言

Inventor是一种全面的可视化设计工具，用于创建和验证完整的数字样机，可以检验机械产品的外型、结构和功能，也可以对其进行运动仿真和应力分析，设计师应用这种软件可对数字化样机进行优化，并预测机械产品在未来的实际工作情况[1]。

本文设计了六足双斗机器人，机器人采用足式移动方式优点在于控制简单，移动比较迅速，同时可以相对较容易地跨过比较大的障碍，但是当机器人在行走时，整个物体的重心会发生变化，各个关节受到的速度及加速度也不同，在不行走，进行挖掘工作，不同部位受到的力也不一样。本文应用Inventor对六足机器人在平地行走和爬坡过程中重心的位置、速度加速度变化进行仿真分析，Inventor集设计、建模和仿真于一体，且操作简单，这给设计工作带来了许多方便，节约了研究时间和研制费用，实现了高质量、高速度、高效率、低成本的整体设计。

本文所应用的软件为虚拟设计方法又提供了一个方便可行的办法，同时，设计的六足机器人为足类机器人的设计也提供了一些思路。在Inventor的虚拟仿真下，得到所设计的六足机器人的一些有用信息，为更好的设计新型六足机器人提供了参考依据。小型物理样机试验，行走和利用双斗夹取物体。

1.六足机器人整体结构

Inventor软件注重产品外观设计，同时其渲染功能也易于操作，效果良好，应用Inventor对六足机器人进行整体结构造型和渲染，其中腿部结构输入旋转运动，在滑块和曲柄的作用下转化为腿部摇摆运动[2]，腿部机构的摇摆幅度为[-24°～+24°]，由于该机器人的腿部关节是铰接和滑动副，因而在步行时即使出现失稳现象也具有较强的姿态恢复能力[3]，足部使用减震和缓冲作用的橡胶材料。

2.机器人步态分析

在机器人研究领域，支撑相和摆动相随时间变化的顺序集合称为步态。对匀速行走的机器人来说，其足相呈周期变化规律，由于这时步态是周期性变化的，故称为周期步态，在一个周期T内，支撑相的时间为 ，则该足的有荷因数β按下式计算[4]：

（1）

一个步态周期中，步行机器人机体重心向前移动的距离称为步距s，各足处于支撑相时相对于机体的移动距离称为足的行程R，两者的关系为[4]：

R=s・β（2）

三角步态是六足仿生步行机器人实现步行的典型步态。其核心思想是把机器人的六足分为两组（躯体一侧的前、后足和另一侧的中足构成一组，其余足构成另一组），三足支撑机体并推动机器人前进（称为支撑相），另三足摆动为下一步支撑做准备（称为摆动相），整个机器人的运动过程就是支撑相与摆动相交替、循环的过程。

六足机器人爬坡行走状态及整体受力分析可知，腿部形成的摩擦力克服重力的一个分力达到向前行走的目的。在爬坡时双斗的位置严重影响机器人的稳定性和爬坡能力，设计双斗的最佳放置位置，有利于机器人的爬坡动作。

3.基于Inventor的机器人运动仿真

3.1 Inventor运动仿真简介

Inventor运动仿真能够完成装配下的零部件运动和载荷条件下的动态仿真，可以在任何状态下将载荷条件输出到应力分析中，也能展示运动过程以及某瞬间的动态载荷；可以设计模型在其整个运转周期内的动态运行条件，并精确调整电动机和传动器的尺寸，以便承受实际的运转载荷；可以分析机械装置中每个零部件的位置、速度、加速度以及承受的载荷[5]。进入Inventor运动仿真模块的操作过程如下：打开一个需要进行运动仿真的装配文件，在“应用程序”菜单下选择“运动仿真”，即可进入Inventor运动仿真界面。

本文在仿真时定义腿和地面为摩擦副，定义摩擦系数f为0.5。制作实物样机时，两排行走足各有一个电机，依靠链传动带动各个足运动。在仿真时，为了方便起见，定义6个电机驱动6个足，保持主要工作原理不变。仿真内容主要有：爬坡角度θ分别为0°、15°和22°时，机器人重心位置、速度和加速度的变化情况。

3.2 重心变化情况分析

六足机器人重心位置、速度、加速度对机器人整体的稳定性有重要影响，通过仿真得到在不同爬坡角度下重心的变化曲线，分析机器人的稳定性。如图5所示，机器人在平面上行走时的重心变化曲线，由前面设计的腿部结构可知，机器人每走一步，在竖直方向上重心都有一个上升和下降的过程，竖直方向波动幅值越大说明机器人步距也越大，太大的步距影响机器人的稳定性。水平方向上的波动越小越好，如图5（b）所示，Y方向上的速度波动非常小，加速度对机器人零部件有一个动载荷的作用，求出行走每一步的加速度后还可以计算出零部件上的动载荷。从图中可以看出，重心在各种情况下的变化曲线有很强的周期性，这与前面的分析一致。

4.物理样机试验

通过在Inventor环境下的虚拟设计和仿真，以及在装配模式下仿真得到行走时的步态和爬坡能力，六足机器人设计合理，为了验证设计的可行性和仿真的真实性，将六足机器人在各个Inventor环境下的三维零件图转化成二维CAD图纸，依据图纸的设计尺寸制造了一小型物理样机。

参考文献

[1]陈伯雄.Inventor R8 应用培训教程：机械设计[M].清华大学出版社，2004.9

[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].高等教育出版社，2006

[3]闫尚彬，韩宝玲，罗庆生.仿生六足步行机器人步

态轨迹的研究与仿真[J].计算机仿真.2007.10.156～160

第6篇：机器人的机械设计范文

伴随着全新的信息科学与技术发展和全球性的教育改革，国际青少年电脑机器人活动于20世纪90年代在一些发达国家青少年中逐步兴起。近几年来，机器人教育已经在全国发达城市中小学中广泛开展起来，并大有普及之势。

2006年，我校申报宝山区区级课题《机器人步行模式的研究与设计》，期间在上海大学的指导和我校科技教师的共同努力下于2009年顺利结题，课题从高中教学层面探讨了机器人机构设计如何应用于高中学段学生。

2 理论基础

我们考虑从机器人的一个板块出发，利用学生对机器人机械结构的认识和研究开始逐步破解学生对机器人的神秘感，锻炼学生的科研能力，引导学生从设计出发，自己动手设计并制作机器人。从而让学生能够从中体验较为完整的科研过程，使他们学到科学有效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高分析问题和解决问题的能力。同时，在课程及活动中穿插结合专家讲座以及实践探索等一系列方式来了解智能机器人的发展和应用状况，并在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。最终的目的是能为同学们开设一门能充分发挥创造力的创新课程，或者说向这个目标做一些有益尝试。

我们知道了一般机器人的设计可以分为三个部分：机械部分、电路部分和程序部分，而其中最为基础的便是机械部分。高中最常见的机器人活动竞赛就是单马达的简易机器人搭建了，通过不同的结构可实现跑步、爬杆、爬梯（图1）等不同的动作。类似的比赛中经常有一条规则是一定要使用曲柄连杆机构，不得使用轮式，这就涉及到了一个基本的机构学概念——机械传动，具体的搭建方式虽然可以参照机器人的说明书，但如果能真正掌握其原理必然让学生对机器人有更深一层次的认识。

有了这些理论基础和想法，我们咨询了上海大学机械工程系的专家，从可行性角度对本课题进行了论证，在肯定我们想法的同时专家还从技术角度解答了我们的一些疑问，提供了我们一些新的思路和手段。我们打算第一步就从机械板块进行教学的深入探究，让学生重新认识机械设计这一可能会被忽略的机器人最基础的部分。

3课程设计

遵循这样一个切入点我们针对机械结构部分为学生设计了以下的一系列学习课程，大致分为了这样几个阶段：

3.1 观察分析阶段

一开始通过对机器人的搭建及观察，学生接触简易单马达机器人，从实际出发认识一个机器人完成整个运动过程的基本方式，培养学生的动手能力和合作精神，并使其掌握读图纸、零件装配等一些基本工程技术素养。

3.2 理论学习阶段

本环节通过对四杆机构这样一种常用的传动方式的介绍，带领同学从单纯照搬图纸过度到进行简易机构分析的层面。机器人制作课程实际是一种跨学科的学习课程，须灵活运用各种学科的知识。现在的高中课程中，学生们学了很多数学、物理、计算机方面知识和解题方法，但遇到实际问题往往就不会运用了。如本环节用到了很多他们学过的数学知识，既让他们觉得设计并不是那么遥不可及从而失去信心和兴趣，又让他们在真实的情景中体验学以致用的快乐，更好的提升他们学习科学文化知识的热情。

3.3 技术实践阶段

有了一定的理论基础以后我们可以利用一系列的技术手段让学生的所学得到巩固提高，来一次理论联系实际。受到了《神奇的仿真技术》课程的启发，我们考虑借助计算机仿真这一手段。一方面机械结构的实物的设计制作存在一定成本，另外计算机辅助设计作为一门新兴学科也已经登陆到了高中课堂（一些学校已经开设了AUTOCAD、CAXA等课程）。经过我们的几次尝试这一环节可以通过多种方式去实现，比如可结合数学计算利用VB的绘图功能进行二维机构仿真（图2），再比如有一些现成的软件（如working model 2D）可以实现类似真实模拟环境下的机构仿真。最新的探究中我利用了上海市青少年活动中心组织的培训，掌握了工程设计领域的权威软件ProE，其中即可实现三维模型的建模，又可模拟真实的三维运动（图3），很好地为学生的自主探究提供的一种手段。

3.4 创新实践阶段

在经过了上述各阶段的学习以后，学生对于机械结构的认识可以说有了一个质的飞跃，这为其以后参与到各项机器人的活动中打下了扎实的基础。至少在机器人的机械部分，我们总结出了即使在是看似再简单的机械结构，也要经历结构设计、运动模拟、计算机辅助设计、计算机辅助制造等环节。而且这个流程不是一蹴而就的，必将经过反复的修改和测试，下面我们来看一个成功的例子。

4具体案例

以下为第24届英特尔上海市创新大赛我校机器人创意设计一等奖作品的论文节选，该论文中的学生就是在经过了上述过程的学习后改进了一个步行机器人结构，虽然在参赛过程中专家对于其在实用性方面还存在一定争议，但评委们一致认为在机械结构设计这一部分，其科学性和新颖性已经达到了一定高度。

论文改进了一个容易跌倒的双足步行机器人结构，通过模拟人行走的膝关节和踝关节从结构上进行了一定创新，基本达到了课题制定的目标，下面是文章的部分节选，其分别对应了我们上述提到的机器人机构设计的几个步骤。

4.1 有机构的分析

我们仔细观察暑假中制作的那个会“摔跤”的步行机器人，发现从机器人的结构上看，有曲柄还有连杆，是一个四杆机构。紧接着我们用直尺量出了模型的各部件尺寸并在运动模拟软件——WORKING MODEL中对其运动过程进行了模拟，从而进一步分析其运动。

而在WORKING MODEL的运动模拟中（如图4），我们发现原机器人的机械装置并没有人那样的关节。从图中能观察到，由于没有膝关节和踝关节的屈伸活动，因此在行走过程中，当从机械足跟着地到机械全足放平这一阶段，前后的重心没能很好地调整，系统重心会突然前倾，影响行走的平稳性。机器人行走过程中前后重心不稳的问题就出在这里。

4.2 结构创新设计

根据分析，要是能设计一个能活动的且最好与地面始终保持水平的足问题便迎刃而解了。我们询问了老师也在网络和相关机构学书籍中查找了资料，了解到了有一种叫做平行四杆机构的方式，如资料显示，双曲柄平行四杆机构有四类，从外观判断其中a类应该就是我们需要的方式。有了这个关键的机构原理作支撑，我们开始了对原有机构的改进。

从运动转换角度分析，该装置是单自由度的曲柄摇杆机构，构造和控制均相当简单。从支撑的角度分析，该装置叠加了两个平行四杆机构，因而具备活动的膝关节和活动的踝关节，在行走过程中，装置的机架部分始终与地面保持平行， 能较平稳地移动系统的重心位置，避免突然前倾的现象出现。这些都符合了我们之前机构设计的需要。

4.3 计算机辅助设计（CAD）

接下来，我们在仿真软件里测量了各个部件的尺寸，然后按照一定的比例缩放后得到实际的部件的尺寸。

在设计时发现了各铰接点的连接是一个很大的问题，简易机器人里都是利用插销来实现的，其优点是成本低，但缺点很多如：容易磨损和脱落等。询问了老师后，他建议我们使用轴承，并告知了我们轴承的一般装配方式。

在设计时还要考虑大足的制作、马达乃至以后传感器等的安装位置的预留、如何使整个机架的重心尽量降低以保证其稳定性等问题。在老师的帮助下终于在CAD中完成了各个零件的设计，并将它们组装成了模型（如图6）。我们联系了加工的地方利用雕刻机将基本的部件制作了出来，一些较为关键的部件老师帮我进行了挑选，比如马达和齿轮，挑选了内部应用蜗杆的齿轮箱增大了扭矩，而且降低了噪音，齿轮的外挂设计也有效地防止了齿轮卡死。

4.4 计算机辅助制造（CAM）

在雕刻机的帮助下，一个个由我们设计的机构零件终于由电子文件变成了实物（如图8）。经过最后的拼装搭建，我们自己设计的第一台机器人终于出世（如图9）。

5思考与小结

上述活动过程我们考虑可设计成一个系列的短课程，包含机器人制作、机构学入门、计算机机械仿真、CAD模型设计等环节，涵盖了当前用于机械部分设计的比较主流的设计思路和手段方法。结合了数学、物理、计算机等多门学科的综合知识，可以让学生在运用自己的所学中不断有新的发现，认识到各学科之间其实是相通的，很多我们学习的理论是为技术服务的。而在最后的模型制造环节之前的操作是将可行性较高的设计送去外部加工，以后学校如有条件可考虑采购一台小型雕刻机，一些简单设计可以直接完成CAM，学生的认识会更加直观也可作为活动的一个和小结部分。

我们的初衷是想通过对机器人机械部分的研究与设计，学生能不再局限于使用各公司的机器人套材，而更多地考虑自己设计或改进。从机器人学习研究的角度，学生从简单拼装搭建的装配层面上升到了理论结合实际的研究层面，我们也看到了一些让我们欢欣鼓舞的自主研创新成果。当然在课程的进一步深入的过程中，机构设计还有许多新的知识，每一个知识点都能用于不同功能机器人的设计，我想在以后的机器人课程或者活动中我们要做的还有很多。

参考文献:

[1] 上海市机器人学会编.机器人ABC.上海市科学教育推广项目资料包

[2] 王中杰等.神奇的仿真技术. 上海市科学教育推广项目资料包

[3] 杨可桢等.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社,2006.

[4] 陈国华.机械机构及应用[M]. 北京：机械工业出版社,2008.

[5] 尹居中.机械设计实作计划—投球机构模拟分析.

[6] 导向科技编.AUTOCAD 2006基础[M]. 北京：人民邮电出版社,2006.

第7篇：机器人的机械设计范文

【关键词】工业机器人；培训；应用；教学

1工业机器人应用技术人才岗位分析

工业机器人应用技术存在巨大的人才缺口，人才岗位需求主要集中在工业机器人设备维修、装配与调试、工业机器人的应用开发与系统集成等岗位，主要分为技术与销售两条人才培养路线。

2工业机器人应用技术专业培训目标

工业机器人应用技术专业培训目标是培养具有在生产一线从事工业机器人及其相关机电设备的安装、编程、调试、运行维护和设备管理的高端技能型专门人才。掌握使用工业机器人为主的工业控制、自动化应用等必备知识，具备从事工业机器人自动化生产线安装、调试、维护、系统集成的综合职业能力，适应工业机器人操作、工业机器人调试、工业机器人生产线维护、工业机器人设备集成和改造等职业岗位任职要求。

3工业机器人应用技术专业培训计划

3.1机械设计方向

工业机器人集成项目机械设计工程师成为职场新宠，要求能够针对集成项目进行方案设计、总体设计及机械结构设计。

3.2电气设计与调试方向

主要针对工业机器人应用集成项目电气部分，掌握常规的电气系统控制、PLC控制，掌握工业机器人的控制原理、PLC高级编程、机器人高级编程、机器人视觉应用及集成项目的电气设计方法，设计电气图纸。

4计算机仿真软件编程

随着机器人应用领域的扩展和现场示教环境的限制，借助计算机仿真软件的离线编程逐渐成为当前机器人编程应用者的一种普遍使用的编程方式。RobotStudio是一款机器人仿真软件，可以在办公室里面不间断地完成自动编程，借助虚拟机器人技术进行离线编程，如同将真实的机器人搬到了电脑中。Robotstudio软件中内置的虚拟示教器与真实的工业机器人示教器没有任何区别，对于学习机器人现场示教编程的，可以在基础工作站中进行学习使用。运用Robotstu-dio软件创建机器人基础工作站包括以下步骤：①创建机器人工作站布局；②由布局配置机器人控制系统；③同步现场数据至控制器；④设定与切换末端执行器；⑤示教编程；⑥仿真运行。点击菜单栏中的“仿真”，点击“播放”工具，机器人开始按照示教轨迹自动运行。

第8篇：机器人的机械设计范文

班级：机械设计03-5班

姓名：李雄

时间过得很快，转眼大学四年就要过去了，然而大多数人对本专业的认识还是不够, 学校为了使我们更多了解机电产品、设备，提高对机电工程制造技术的认识，加深机电在工业各领域应用的感性认识，开阔视野，了解相关设备及技术资料，熟悉典型零件的加工工艺，特意安排了我们到几个拥有较多类型的机电一体化设备，生产技术较先进的工厂进行参观实习。为期五，六天的生产实习，我们先后去过了邯郸汉阳包装机械有限公司和保定长城汽车股份有限公司有限公司。了解这些工厂的生产情况，与本专业有关的各种知识，各厂工人的工作情况等等。亲身感受了所学知识与实际的应用，电子技术在机械制造工业的应用了，精密机械制造在机器制造的应用了，等等理论与实际的相结合。

一 实习地点

邯郸汉阳包装机械厂 保定长城汽车股份有限公司

二 实习时间

XX年年3月

三 实习目的

通过完成毕业实习过程，结合毕业设计或论文选题深入工厂企业实地参观与调查，达到以下的实习目的在这个基础上把所学的专业理论知识与实践紧密结合起来，提高实际工作能力与分析能力，以达到学以致用的目的。

1. 了解机器人的具体结构及其工作原理

2. 掌握工业机器人的运动形式及其类型

3. 汽车产品的生产工艺过程及企业基本生产状况

4. 汽车的类型、结构，工作原理及各零件的作用

5. 了解与熟悉汽车生产的各工艺过程。包括整车装配部件生产等。

6. 了解与熟悉汽车生产企业的生产组织过程。

7. 了解国内外汽车工业的发展现状及趋势。

8. 收集毕业设计内容的相关资料。

9. 了解与熟悉汽车生产的各工艺过程。包括整车装配部件生产等。

四 毕业实习单位状况概述

汉阳（邯郸）包装机械有限公司是韩国汉阳包装机械株式会社[公司总部在韩国仁川，已有30余年的发展历史在华投资的跨国企业。公司全套引进国外技术与管理，汇集优秀人才，全心致力于热收缩设备的研制开发与生产制造，产品有l式、袖筒式、枕式三大系列，160多个品种.产品科技含量高，生产工艺先进，有多种机型为国内首创，国际领先。

1 机器人应用和发展前景综述

研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。

2 国内外机器人的主要应用方面

从机器人的用途来分，可以分为两大类：军用机器人和民用机器人。

军用机器人主要用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。军用机器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遥控式等多种方式。

在民用机器人中，各种生产制造领域中的工业机器人在数量上占绝对多数，成为机器人家族中的主力军；其它各种种类的机器人也开始在不同的领域得到研究开发和应用。工业机器人是机器人中数量和种类最多的一种机器人，广泛用于工业领域的各行各业。工业机器人一般由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置等构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器plc控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、作为二十世纪最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，机器人在伴随着科技飞速跃进的几十年的时间里，从理论设计到实际应用领域也都有了长足的发展，并逐步走向成熟的阶段。机器人应用发展现状国际标准化组织对机器人进行了定义：“机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编.

长城汽车股份有限公司是一家大型股份制民营企业，也是国内规模最大、品种最多的皮卡专业厂。目前，公司下属有“长城华北汽车有限公司”、“保定市信诚汽车发展有限公司”、“长城内燃机有限公司”、“长城桥业有限公司”、“长城汽车技术研究中心”等控股公司多家，。公司根据特殊行业的要求进行“点菜式”生产，每年近万辆长城皮卡被各地的质量监督、公安、政法、工商、公路、电讯等系统选为公务专用车。

老师为我们介绍了发动机的基本构造和原理，对它有了更深刻地认识。现在的汽车、摩托车等大都采用的是内燃机，内燃机是一种热力发动机，它的特点是通过液体或气体燃料在机器内部燃烧产生热能，然后再转变为机械能提供给汽车，成为汽车前进的动力。就拿我们常见的汽车发动机来说，它是一种四冲程往复活塞式发动机。

随然在生产实习的时候曾有过与机械电子相关的工作经验，但在接触到所在单位的具体工作的时候，还是感觉自己缺乏许多实践经验和社会知识。通过短短几天时间的学习，使我慢慢体会到了“学无止境”的深刻道理。也找到了自身的许多缺点，比如上班迟到的问题，闲着没事做等，自己也已经引起了注意，尽量避免在以后的无论是学习还是工作中出现。

第9篇：机器人的机械设计范文

【关键词】舞蹈机器人；AVR单片机；舵机

1.引言

机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的哥哥领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成[1]。现在，国际上对机器人的概念已经逐步趋近一般，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

机器人产业在二十一世界将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走进我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在全中国甚至全世界拥有一定得现实基础和广阔的市场前景。本次设计采用Atmega16L单片机作为双足机器人控制单元的核心，具备自主决策和智能判断的能力[2]。使用六个FutabaS3003舵机作为关节驱动和一个微机板作为舵机的驱动控制机器人完成各种动作。该舞蹈机器人双腿关节采用6个FutabaS3003舵机，能够可靠地负载起手臂和身躯。微机板放在背部，用以充当机器人的身躯，手臂安装在微机板两侧；利用舵机调试程序对舞蹈机器人的每个动作进行编排、采样，最后将一个个动作连贯起来编译下载，在团队的共同努力下完成跳舞机器人。

2.机器人总体方案设计

2.1 舞蹈机器人总体分析

要设计和开发一个舞蹈机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定舞蹈机器人的功能，基本结构和系统配置。舞蹈机器人的设计一般要经过创意提出、整体论证、初步设计、组装调试、最终定型等几个大的步骤。其中最重要的当数其中的机械设计环节，它关系到后面机器人的整体性能以及控制系统的设计。

该双足竞步机器人设计的目的是要实现拟人下肢多自由度得平稳行走，在实现这个功能的前提下为降低设计的难度，我们按照目前世界上各研究机构普通采用的下肢6个自由度的关节配置形式，来实现行走功能所必须的各关节自由度分布，具体自由度配置为单腿髋关节1个，膝关节1个，踝关节1个[3]。髋关节用于摆动腿，实现迈步，并起到了辅助平衡作用。膝关节主要用来调节重心的高度，及改变摆动腿的着地高度，使之与地形相适应。踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿的移动，以及调整与地面的接触状态。其结构图大致与下图1相似。

2.2 系统结构设计

根据确定的自由度配置方案以及选用的舵机、微机板，设计机器人的零件。本着结构简单、尽量采用通用零件、外形美观等原则，对机器人的结构及外观进行优化。

实现舞蹈机器人运动的基本问题是对机器人各关节位置、速度伺服控制和协调控制。如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，启动器本身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护[4]。

舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，是一种微型伺服马达，它的控制信号是一个宽度可调的方波脉冲信号，所以很方便和模拟系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的模拟设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机和DSP等。而且舵机体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性、控制简单。根据所需的驱动力矩要求和性价比方面的考虑，我们决定选用日本双叶电子工业株式会社生产的大扭力齿轮舵机。该类型舵机价格适中且规格参数能够满足舞蹈机器人的各项性能要求。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003这款舵机。

3.控制系统硬件设计

主板是以Atmega16L单片机微控制器为核心，包括电源模块、USB下载模块、ISP下载模块、电机驱动模块、外部晶振以及各种I/O接口。

本设计所选舵机为日本双叶电子工业株式会社生产的FutabaS3003舵机，该类型舵机的扭力达到4.1公斤且为同轴双端输出铜合金齿轮舵机。价格适中且规格参数能够满足双足机器人的各项性能要求[5]。并且可以进行模拟位置锁存，大大减少控制端的数据量，适合多级联动控制。装有防撞减震轴承，减少磨损，并且密封。采用国际标准的PWM控制格式，便于移植到其他平台使用。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003型舵机。舵机FutabaS3003实物图2所示。

FutabaS3003舵机的转角达到180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大为256份。经过实际测试和规划，分了250份。将0-185分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms～2.5ms，宽度2ms。舵机的控制信号是脉冲位置调制信号，周期一般为2ms，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。一般舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图3所示。

4.控制系统的软件设计

为了实现模型样机的实验调试，在硬件基础上进行了系统软件设计，通过对实际机械系统运动控制理论研究，规划了一套简便的调试方案以验证样机设计的合理性，并进行对预订步态的相应关节控制调试和可行性验证。

ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

由于单片机功能的限制，复杂的动作编制、舞蹈的设计不可能在单片机上进行，而且对于人机交互等在单片机上不好实现。所有必须要有上位机的协助，通过上位机，实现舞蹈动作的编写以及调试。如基本的前进，后退，转身，弯腰，摇头等[6]。上位机还负责同下位机的交互，人机接口等。

舞蹈动作设计得再完美，再漂亮，最终都要体现在机器人的行走上。运动控制主要有两个方面的内容，一方面是编写完美的舞蹈动作，另一方面就是如何精确实现设计好的舞蹈动作。也就是说如何精确地控制电机/舵机，让多个电机准确快速，稳定地到达指定的位置，并且实现24个电机的协调工作。

串行通信子程序主要用于处理单片机与上位机之间的通信，实现从上位机接收控制指令和动作数据功能。单片机与上位机之间采用半双工通信方式，但是主要还是采取数据的单向传输方式，即主要由上位机向单片机发送指令和数据，而单片机并不向上位机发数据，仅仅是在二者通信之前向上位机发送应答信号，以确认二者之间通信成功与否。因此，此处主要讨论由上位机发送单片机接收的通讯方式。

5.舞蹈机器人设计总结

舞蹈机器人比赛是机器人比赛中具有很强观赏性和趣味性的高技术对抗赛，舞蹈机器人的制作涉及机械、电子、自控.通讯、传感，人工智能、机器人学、精密机构和仿生材料等多个领域。

舞蹈机器人的制作一般要经过创意提案、初步设计、详细设计、制作调试4个阶段。我们在制作过程中，考虑具体情况，分步细化，按照流程来控制节点，达成目标。

舞蹈机器人的动作是表现在一定时间序列上的窒间位姿（位置和姿态）的集合。

舞蹈机器人动作设计和实现的方法一般是借鉴机械臂轨迹的控制方式，在不同的平台和技术水平基础上采用相应的方法[7]。以下是我们在舞蹈机器人动作设计与实现研究和应用的3类方法：直观估测法、动作示教法、虚拟仿真法。这些方法是从不同的研究目的和舞蹈机器人动作的控制要求出发的，虚拟仿真法能够实现对舞蹈机器人动作的精确控制。

6.结论

本文设计了一款结构紧凑、外观美观的小型双足机器人本体，机器人共10个自由度。它能自由行走，进行舞蹈表演。此外本系统为双足机器人的研究预留了足够的扩展空间，它能够在本系统上模拟，研究其运动规律，为研究智能机器人，机器人学习、运动等提供了一个可靠的平台。整个设计过程中，在机器人的机械结构设计上我们曾经遇到了很大的困难，好几次的设计都由于不符合要求已经被改的面目全非。好在全组成员团结合作，最终解决了机械结构的问题。在使用ATmega16L的开发过程中，我们也充分体会到了这款单片机的性能优越性和便利性，其单芯片设计方案对提高产品集成，降低系统成本有很大的帮助。

参考文献

[1]汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2006，19（4）：133-134.

[2]张效祖.工业机器人的现状与发展趋势[J].世界制造技术与装备市场，2004（5）：33-36.

[3]蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势[J].南京化工大学学报，2000，22（4）：73-76.

[4]毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008（7）：5-8.

[5]陈秀珍，潘拓.21世纪初机器人技术的走向[J].中国设备工程，2007（11）：30-32.

[6]宋建国.AVR单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[7]付丽，刘卫国，伊强.单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法[J].驱动控制，2006，2：28-33.

[8]徐玉，韩波，李平.基于AVR的舵机控制器设计[J].工业控制计算机，2004（11）：38-40.

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