一種雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周潘偉

ZHOU Pan-wei

（中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

0 引言

擬人機(jī)器人是一種理想的能與人進(jìn)行互動(dòng)，為人提供服務(wù)，使生活便捷的理想機(jī)器人。擬人機(jī)器人是多門基礎(chǔ)學(xué)科、多項(xiàng)高技術(shù)的集成，代表了尖端的機(jī)器人技術(shù)，成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于擬人機(jī)器人的研究也越來越深入，而能實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人頭部眼球、眼瞼及嘴部等器官運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人頭部裝置也隨之發(fā)展。

現(xiàn)有的機(jī)器人頭部裝置一般是利用各種驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)機(jī)器人頭部器官運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人頭部眼球、眼瞼及嘴部等器官運(yùn)動(dòng)，做出各種不同的機(jī)器人面部表情的機(jī)械裝置。如美國麻省理工學(xué)院研制的名為Kismet的機(jī)器人頭部，就是通過控制機(jī)器人頭部各部位的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種面部表情[2]。一般機(jī)器人頭部裝置只能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單面的頭部器官運(yùn)動(dòng)，對(duì)于雙面結(jié)構(gòu)要求則無能為力，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜繁瑣、成本高。

擬人機(jī)器人頭部的研究是機(jī)器人技術(shù)中比較領(lǐng)先的技術(shù)，研究主要集中在美國和日本的一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)[3]。目前從我國所進(jìn)行的一些研究的進(jìn)展看，與國外的技術(shù)差距還是比較大，可以研究和發(fā)展的空間非常廣泛[4]。雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于克服現(xiàn)有機(jī)器人頭部裝置復(fù)雜繁瑣、成本高且不能實(shí)現(xiàn)雙面機(jī)器人頭部器官運(yùn)動(dòng)的缺點(diǎn)，提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、低成本的雙面機(jī)器人頭部裝置，有效實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人頭部雙面的眼球、眼瞼及嘴部等器官運(yùn)動(dòng)，做出各種不同的機(jī)器人面部表情的機(jī)械裝置。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低，按照與真人比例約為1：1設(shè)計(jì)，共有四個(gè)自由度，采用盡可能少的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙面眼球的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，眼球的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，眼瞼的張合及嘴部的張合。

1 機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)指標(biāo)

雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)為模塊化設(shè)計(jì)，為了使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，采用四自由度形式，分別為機(jī)器人雙面四個(gè)眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)、雙面四個(gè)眼球垂直轉(zhuǎn)動(dòng)、雙面四個(gè)眼瞼張合及雙面嘴部上下顎張合。機(jī)器人兩眼球采用同步轉(zhuǎn)動(dòng)方式，且機(jī)器人兩面眼球運(yùn)動(dòng)方向相反。兩眼瞼同時(shí)張開或閉合，嘴部上下顎張開或閉合，且機(jī)器人兩面的眼瞼和嘴部運(yùn)動(dòng)方向相反。機(jī)器人頭部采用四個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)并連接編碼器的形式驅(qū)動(dòng)，在極限位置安裝微動(dòng)開關(guān)感測，實(shí)現(xiàn)頭部各部件的精確定位。機(jī)器人頭部雙面各部位的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)器人頭部雙面各部位的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)

2 機(jī)器人頭部總體設(shè)計(jì)

雙面機(jī)器人頭部總體結(jié)構(gòu)示意圖及圖示A-A、B-B剖視圖分別如圖1(a)、1(b)和1(c)所示?？傮w結(jié)構(gòu)包括：四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件、四眼瞼部件、雙嘴部件、四個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)同步帶傳動(dòng)組件、四個(gè)微動(dòng)開關(guān)、眼部支撐架、嘴部安裝架、電機(jī)安裝板一、電機(jī)安裝板二、眼球垂直轉(zhuǎn)動(dòng)限位板和眼瞼限位塊，眼部支撐架下面固定連接嘴部安裝架，微型步進(jìn)電機(jī)二和微型步進(jìn)電機(jī)三固定安裝在眼部支撐架上，在眼部支撐架上安裝四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件，同步帶傳動(dòng)組件二與四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件連接，微型步進(jìn)電機(jī)二通過同步帶傳動(dòng)組件二傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件；四眼瞼部件安裝在四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，同步帶傳動(dòng)組件一套裝在四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，并與四眼瞼部件連接，微型步進(jìn)電機(jī)三通過同步帶傳動(dòng)組件一傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)四眼瞼部件；在嘴部安裝架上安裝雙嘴部件，微型步進(jìn)電機(jī)四固定安裝在嘴部安裝架上，雙嘴部件由微型步進(jìn)電機(jī)四驅(qū)動(dòng)。

控制微型步進(jìn)電機(jī)二啟動(dòng)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過同步帶傳動(dòng)組件二的傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙面四個(gè)眼球的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)。微型步進(jìn)電機(jī)一安裝在四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)。四眼瞼部件空套在四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，當(dāng)微型步進(jìn)電機(jī)三啟動(dòng)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過同步帶傳動(dòng)組件一的傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四眼瞼部件轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人雙面四個(gè)眼瞼的張開或閉合。當(dāng)微型電機(jī)四啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)雙嘴部件運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人雙面嘴部上下顎的張開或閉合。

眼球垂直轉(zhuǎn)動(dòng)限位板對(duì)四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件垂直轉(zhuǎn)動(dòng)范圍進(jìn)行機(jī)械限位，眼瞼限位塊對(duì)四眼瞼部件開合范圍進(jìn)行機(jī)械限位。微動(dòng)開關(guān)一對(duì)四眼瞼部件運(yùn)動(dòng)極限位置進(jìn)行精確定位，微動(dòng)開關(guān)二對(duì)四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件中眼球的水平運(yùn)動(dòng)極限位置進(jìn)行精確定位，微動(dòng)開關(guān)三對(duì)雙嘴部件的張合極限位置進(jìn)行精確定位，微動(dòng)開關(guān)四對(duì)四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件的垂直運(yùn)動(dòng)極限位置進(jìn)行精確定位。通過四個(gè)微動(dòng)開關(guān)的反饋控制雙面機(jī)器人頭部各部件的精確運(yùn)動(dòng)。

圖1 雙面機(jī)器人頭部總體設(shè)計(jì)

雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)中四眼瞼部件安裝在四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，使得眼瞼與眼球轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于同一平面，眼球可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍增加。眼球垂直轉(zhuǎn)動(dòng)與眼瞼轉(zhuǎn)動(dòng)采用同步帶傳動(dòng)方式，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊，機(jī)器人頭部尺寸減小。眼球與眼瞼轉(zhuǎn)動(dòng)中心后移，簡化結(jié)構(gòu)。

3 各部件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件

四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件俯視圖及軸側(cè)圖分別如圖2(a)和2(b)所示。部件結(jié)構(gòu)包括：水平連接軸一、水平連接軸二、水平連接軸三、前后水平轉(zhuǎn)軸一、連接桿、前后水平轉(zhuǎn)軸二、眼球、水平限位塊、水平支架和銷軸，微型步進(jìn)電機(jī)一安裝在四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件上。

水平連接軸二與兩個(gè)水平支架固定連接，在兩個(gè)水平支架的外側(cè)固定連接水平連接軸一和水平連接軸三；前后水平轉(zhuǎn)軸一與前后水平轉(zhuǎn)軸二分別平行安裝在兩個(gè)水平支架內(nèi)，四個(gè)眼球分別固定連接在前后水平轉(zhuǎn)軸一或前后水平轉(zhuǎn)軸二兩端上，前后水平轉(zhuǎn)軸一和前后水平轉(zhuǎn)軸二與連接桿的兩端通過兩根銷軸鉸接，構(gòu)成一個(gè)連桿結(jié)構(gòu)；前后水平轉(zhuǎn)軸二與微型步進(jìn)電機(jī)一的輸出軸連接；兩個(gè)水平限位塊與水平轉(zhuǎn)軸二固定連接。

控制微型步進(jìn)電機(jī)一啟動(dòng)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)前后水平轉(zhuǎn)軸二水平擺動(dòng)，通過前后水平轉(zhuǎn)軸一、連接桿和前后水平轉(zhuǎn)軸二鉸接構(gòu)成的連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)前后水平轉(zhuǎn)軸一水平擺動(dòng)，從而使四個(gè)眼球水平擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人雙面眼球的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，通過水平限位塊限制前后水平轉(zhuǎn)軸二水平擺動(dòng)范圍，從而對(duì)機(jī)器人雙面眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行機(jī)械限位。

圖2 四眼球水平轉(zhuǎn)動(dòng)部件

3.2 四眼瞼部件

四眼瞼部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。部件結(jié)構(gòu)包括：眼瞼旋轉(zhuǎn)軸一、眼瞼旋轉(zhuǎn)軸二、眼瞼和固定連接件，正面的兩個(gè)眼瞼分別與一個(gè)固定連接件固定連接并聯(lián)，而兩端通過眼瞼旋轉(zhuǎn)軸一和眼瞼旋轉(zhuǎn)軸二與反面兩個(gè)并聯(lián)的眼瞼的兩端固定連接；圖1(a)所示的同步帶傳動(dòng)組件一與眼瞼旋轉(zhuǎn)軸一固定連接。當(dāng)圖1(a)所示的微型步進(jìn)電機(jī)三驅(qū)動(dòng)四眼瞼部件轉(zhuǎn)動(dòng)，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人雙面四個(gè)眼瞼的張開或閉合。

圖3 四眼瞼部件結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 雙嘴部件

雙嘴部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。部件結(jié)構(gòu)包括凸輪、嘴旋轉(zhuǎn)軸、扭簧和旋轉(zhuǎn)芯軸，前后上下四個(gè)嘴旋轉(zhuǎn)軸分別與兩個(gè)扭簧套裝在前后兩根旋轉(zhuǎn)芯軸上，扭簧末端壓緊嘴旋轉(zhuǎn)軸，嘴旋轉(zhuǎn)軸末端壓緊凸輪，凸輪連接微型步進(jìn)電機(jī)四的輸出軸，構(gòu)成一個(gè)凸輪結(jié)構(gòu)。微型步進(jìn)電機(jī)四啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，從而使得前后各一對(duì)嘴的旋轉(zhuǎn)軸周期張開和閉合，即機(jī)器人雙面上下顎張合，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人雙面嘴部的張開閉合。

圖4 雙嘴部件結(jié)構(gòu)示意圖

4 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)采用微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過同步帶、連桿機(jī)構(gòu)及凸輪機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)，利用微動(dòng)開關(guān)感測機(jī)器人頭部各部件的極限位置運(yùn)動(dòng)。雙面機(jī)器人頭部通過工控機(jī)控制微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的形式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，并安裝編碼器進(jìn)行位置反饋，編碼器與微動(dòng)開關(guān)極限位置檢測共同實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精確定位。雙面機(jī)器人頭部運(yùn)動(dòng)控制圖如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)合理、簡單、緊湊、制造容易、成本低和使用方便，適于各種模塊化機(jī)器人使用，并采用盡可能少的驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙面眼球、眼瞼和嘴部的運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地采用同步帶、連桿機(jī)構(gòu)及凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊，機(jī)器人頭部尺寸減小。眼球與眼瞼轉(zhuǎn)動(dòng)中心后移，簡化結(jié)構(gòu)。目前，該雙面機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)已經(jīng)制造出，運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖5 雙面機(jī)器人頭部運(yùn)動(dòng)控制圖

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