基于3D打印技術(shù)的人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究

龔郡 鄧騫 魏祥浩 陳悅 裴凱

摘 要：本研究目的是通過(guò)CAD軟件進(jìn)行3D數(shù)字化設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)；并借助各種傳感器在PC平臺(tái)下進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人形機(jī)器人控制系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)3D打印人形機(jī)器人的自主研發(fā)和制造。因此，設(shè)計(jì)了基于3D打印技術(shù)的人形機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由人形機(jī)器人本體和ROS機(jī)器人控制系統(tǒng)組成，其中機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用3D打印技術(shù)制作而成，擁有25個(gè)自由度，具有成本低、便于批量制造的優(yōu)點(diǎn)；硬件控制電路采用teeny3.1，具有擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，采用ROS機(jī)器人操作系統(tǒng) ，能夠完成遠(yuǎn)程控制，圖像識(shí)別等功能。

關(guān)鍵詞：3D打??；仿人形；智能交互

一、引言

21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越重視，隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在進(jìn)一步擴(kuò)大，機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高技術(shù)之一。目前科技界研究機(jī)器人沿著三個(gè)方向前進(jìn)：讓機(jī)器人具有更強(qiáng)的智能性和功能性，讓機(jī)器人更具人形、微型化。雖然機(jī)器人發(fā)展火熱，但機(jī)器人產(chǎn)品還存在推廣上的障礙：開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本高、易受到干擾、實(shí)用性較差、實(shí)時(shí)性與精確性存在矛盾、功能單一、應(yīng)變能力不足等問(wèn)題。

仿人機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域最熱門和前沿的研究方向之一，與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，仿人機(jī)器人動(dòng)作更加靈活，具有更廣闊的工作空間。不僅可以代替人類在危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境中自主作業(yè)，還可以和人和諧相處，協(xié)助人類完成復(fù)雜動(dòng)作，甚至在高科技戰(zhàn)場(chǎng)上也會(huì)發(fā)揮重要作用。

同時(shí)，本項(xiàng)目的人形機(jī)器人模擬人手臂手指的動(dòng)作和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)物體的抓取，通過(guò)搭載相應(yīng)的傳感器完成語(yǔ)音識(shí)別與交互，機(jī)器視覺(jué)感知等功能。它是機(jī)械、材料、電子、控制技術(shù)以及人工智能等多個(gè)領(lǐng)域新技術(shù)的綜合，其研究促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展；具有關(guān)節(jié)自由度多、耦合性強(qiáng)、階數(shù)高、非完整約束的特點(diǎn)，是機(jī)器人控制理論以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、設(shè)計(jì)方案

1.基本思路

2.機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本作品結(jié)構(gòu)按照模塊化的設(shè)計(jì)，將人形機(jī)器人分成頭、脖、肩、上臂、前臂、手、軀干、胃等機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，按照對(duì)稱結(jié)構(gòu)布局，利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)出大自由度靈巧手的人形機(jī)器人。由于打印機(jī)打印半徑的限制，將部分結(jié)構(gòu)分塊設(shè)計(jì)，以適應(yīng)打印機(jī)的大小。

頭：仿生學(xué)外殼設(shè)計(jì)，包括天靈蓋、后腦勺、眼、臉、上唇、下顎。其中下顎具有一個(gè)自由度，用舵機(jī)HK15298B控制，以模仿人說(shuō)話的動(dòng)作；整個(gè)頭還具有另外兩個(gè)模仿人點(diǎn)頭和搖頭的自由度，點(diǎn)頭用4頭大導(dǎo)程角蝸桿的反螺旋結(jié)構(gòu)，搖頭用一對(duì)圓柱齒輪實(shí)現(xiàn)。眼部用攝像頭代替仿生眼球。

頸：與頭部對(duì)接，并于前后布有齒輪和蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于連接頭部，并實(shí)現(xiàn)頭部的上下和左右旋轉(zhuǎn)以及張頜等動(dòng)作。

肩：連接器通過(guò)螺栓與軀干轉(zhuǎn)動(dòng)連接，由電機(jī)帶動(dòng)反螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肩相對(duì)軀干的轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接板相對(duì)于連接器的轉(zhuǎn)動(dòng)。

上臂：第二個(gè)連接器承載著第二個(gè)蝸輪蝸桿，加上肩部的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，合成為實(shí)際人體肩部的球面旋轉(zhuǎn)副；中心處螺旋桿的反螺旋運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前臂繞上臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪結(jié)構(gòu)增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

前臂：內(nèi)置電機(jī)基座，用于安裝驅(qū)動(dòng)5根手指的電機(jī)，上部用電機(jī)控制一對(duì)減速齒輪實(shí)現(xiàn)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)。連接器承載著第二個(gè)蝸輪蝸桿，加上肩部的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，合成為實(shí)際人體肩部的球面旋轉(zhuǎn)副；中心處螺旋桿的反螺旋運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前臂繞上臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪結(jié)構(gòu)增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建以及結(jié)果分析

使用kinect感應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)、麥克風(fēng)輸入、語(yǔ)音辨識(shí)以及壓力和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，由PC端分析處理后，由單片機(jī)控制相應(yīng)部位的舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)以及智能交互。具有以下功能。

一是雙目視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別，在兩個(gè)兩個(gè)攝像頭拍攝下，利用雙目立體視覺(jué)成像原理，通過(guò)兩個(gè)攝像機(jī)來(lái)提取包括三維位置在內(nèi)的信息進(jìn)行手勢(shì)的綜合分析判斷，建立的是手部的立體運(yùn)動(dòng)模型。

二是基于ROS操作系統(tǒng)獲取2個(gè)手掌、10個(gè)手指、40個(gè)關(guān)節(jié)端點(diǎn)的位置與姿態(tài)。它像操作系統(tǒng)一樣提供應(yīng)用于機(jī)器人上的各種功能，包括硬件抽象描述、底層程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理等。 從而實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化和硬件的模塊化。

三是基于可見(jiàn)光圖像的人臉識(shí)別功能。攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，自動(dòng)在圖像中檢測(cè)和跟蹤人臉，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行臉部的一系列人像識(shí)別、面部識(shí)別。

四、結(jié)語(yǔ)

人形機(jī)器人擁有仿人形的外表，涉及計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、機(jī)械等諸多學(xué)科，且具有一定的趣味性，是絕佳的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文提出的人形機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案利用3D打印技術(shù)“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的優(yōu)點(diǎn)，快速制作機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有移植性好的優(yōu)點(diǎn)。采用本方案研制的3D打印機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目前已應(yīng)用于本校學(xué)科競(jìng)賽及“嵌入式軟件開(kāi)發(fā)”等課程的綜合實(shí)訓(xùn)中。試用結(jié)果表明本方案研制的人形機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力與學(xué)習(xí)熱情，為開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了有益思路。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目隸屬于湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目省級(jí)立項(xiàng)課題，并參加第十二屆“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽榮獲三等獎(jiǎng)。

（通信作者：鄧騫）

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基金項(xiàng)目：湖南省2016年大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：CX2016B428）；南華大學(xué)2016年校級(jí)教改課題“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的‘機(jī)電綜合技術(shù)訓(xùn)練教學(xué)改革與實(shí)踐”。

作者簡(jiǎn)介：龔郡（1996— ），江西吉安人，本科在讀，現(xiàn)就讀于南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；鄧騫（1986— ），湖南衡陽(yáng)人，講師，研究生學(xué)歷，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。