恐龍機器人的頸部結構設計與優(yōu)化＊

孫澤剛 葉華 葉欣桐

（四川輕化工大學機械工程學院，四川宜賓 644000）

0.引言

近年來隨著仿生運動機械的快速發(fā)展，仿生機械也有了更為廣闊的應用領域。就恐龍機器人頸部運動結構來說，已衍生出了多種結構設計方案。目前，袁立鵬等發(fā)明設計了一種以伺服液壓缸驅動恐龍頸部運動的仿生機構，在創(chuàng)新之余，機構也存在動作單一、精度不高等問題；劉翔宇發(fā)明設計了一種以伺服電機控制協(xié)調恐龍機器人頸部完成上下左右4個動作，但仍無法更為接近的還原恐龍真實運動姿態(tài)[1]。

本文中的恐龍機器人是通過AT89S52單片機產生PWM脈沖信號，控制步進電機驅動絲桿，實現類氣缸傳動，再通過巧妙的機械結構方式，并建立頸部結構模型，最終該結構能夠實現機器人的頭部與肩部之間的運動更為穩(wěn)定地接近真實的恐龍頸部運動姿態(tài)。根據這種狀況，本文針對性地提出設計恐龍機器人頸部運動結構的設計方案，討論與分析了恐龍機器人頸部運動結構各部分的結構與工藝，為恐龍機器人頸部運動的結構設計和優(yōu)化提供了新的思路，對相關研究具有參考價值。

1.恐龍機器人頸部運動結構的總體結構設計

恐龍機器人頸部運動結構整體應滿足結構緊湊、傳動平穩(wěn)、精確、動作多元化，仿生程度高等多項要求，在設計時應時刻謹記。根據功能要求，恐龍機器人頸部運動的結構可以大致劃分為：并聯機構連接部分、傳動部分、動平臺、靜平臺、其他綜合設計等，見圖1。

圖 1恐龍機器人的頸部裝置

1.1 并聯機構連接部分

恐龍機器人頸部運動結構對并聯機構連接部分的強強，靈活性要求較高，對連接精度要求低。首先，由于頸部運動機構是保持半懸空狀態(tài)，自身也有一定重量，如果不對并聯機構連接部分提出強度要求，則易發(fā)生變形，將直接影響傳動精度要求；其次，在每一次更換交互動作時，由于對步進電機的斜調控制有要求，如果沒有處理好程序問題，則易產生不協(xié)調的沖擊力。

1.2 傳動部分

傳動部分是包含在連接部分中，既起到連接作用也承擔了傳動作用，傳動部分要求能夠保證傳動精度，和傳動平穩(wěn)性。其工作原理是通過AT89S5l單片機產生PWM脈沖信號，控制貫穿式步進電機驅動絲桿，實現類氣缸傳動，從而通過6支傳動件協(xié)調絲桿位移量達到動靜平臺之間的角度變化[2]。

1.3 靜平臺

靜平臺起到連接、固定作用，是頸部結構與主干身體連接之間的重要部分，對質量把控有要求，要在完成工作要求的同時，盡可能地做到采用復合材料代替鈑金材料及非工作部分的用材要進行輕量化設計。

1.4 動平臺

動平臺其設計原理同靜平臺一致，但動平臺主要作用是充當頭部與頸部直接的重要連接介質，且懸空位置更遠，如果自身重量過大，自身給靜平臺帶來的力則更大，對此，在滿足工作要求的同時，對動平臺的材料使用也是有要求，要盡可能地達到輕量化設計。

2.實際問題與解決方案

使用Solid Works 2018建模，在無干涉且運動軌跡仿真無誤的條件下加工制作恐龍機器人頸部運動結構實體模型，并加以進行實際測試，發(fā)現恐龍機器人頸部結構在運動過程中與理論運動參數相比存在一定誤差，本文討論與分析了對恐龍機器人頸部運動所帶來不良影響的來源，并對其提出優(yōu)化改良措施。

2.1 零部件加工/裝配誤差累計

由于在加工過程中，屬于單件小批生產類型，遂零部件在加工時缺少了較為精密的輔助加工工具，至此導致以型材鋁合金為首的零部件加工精度低，同時，由于受3D打印設備影響，打印出的樹脂材料零部件精度也較低；另一方面，由于裝配過程中存在操作誤差，量具誤差則最終形成誤差累計。為了更好地解決這一問題，在裝配過程中，我們要盡可能利用現有量具，工具，選擇合理的裝配基準，避免裝配基準多次傳遞，掌握誤差變化規(guī)律，合理分配或調節(jié)誤差數值。

2.2 頸部結構運動轉向點的奇異性的考慮

恐龍機器人的頸部結構采用的是并聯機構模型設計，如果不提前規(guī)劃好恐龍頸部結構的運動軌跡，不經反復性實驗，則在實踐過程中易出現運動奇異性，而動平臺也將直接處于奇異點位置。要改善運動轉向點的奇異性，先進行結構優(yōu)化設計，進行局域性能分析，分析并擬定運動軌跡在其工作空間內的分布規(guī)律，以滿足實際工作要求。

3.與其他設計方案的比較

3.1 結構方面

袁立鵬等發(fā)明設計了一種以伺服液壓缸驅動恐龍頸部運動的仿生機構，劉翔宇發(fā)明設計了一種以伺服電機控制恐龍機器人。這類設計方案均采用的機械結構都是串聯機構或平面四桿機構，本文設計方案用的是并聯機構，相比較：如若用串聯機構或平面絲桿機構，則恐龍機器人僅能做到一般運動姿態(tài)，而采用并聯結構，恐龍機器人可以做到除上下俯仰、左右側擺外，還有小角度扭頭動作姿態(tài)。且在擬定好運動軌跡后，并聯機構的逆解也易求得；而該結構應用于頸部，半懸空狀態(tài)，對運動結構的剛性也要求更高，并聯機構自身具備較好的剛性，且結構穩(wěn)定能更好適應工作要求[3]。

3.2 主動力

較以上設計方案來看，常規(guī)主動力多采用液壓傳動，伺服電機傳動，氣動方式。他們的優(yōu)點很明顯，液/氣壓無級傳動搭配串聯結構，伺服電機搭配平面四桿機構，能夠實現一定動作，操作也簡單，但是缺點也很明顯：空氣的壓縮性較大，氣動的運動平穩(wěn)性差且排氣有噪音，需要設置潤滑裝置等配件設施；而液動對工作元件質量的要求高，對工作介質要求高，對安裝、維修的工人技術要求高，所需要的配件設施也多，不利于結構優(yōu)化。本文中的設計方案是通過單片機控制步進電機驅動絲桿，實現類氣缸傳動，既利用氣動的優(yōu)點又減少出現氣動的缺點：產生的工作噪音減少，輸出的力矩更大，結構也更為緊湊，無需大量配件設施，工作環(huán)境因素對其影響降低。

4.結語

本文所設計的恐龍機器人頸部運動結構從總體的結構設計出發(fā)，通過理論研究分析討論與實驗經驗的積累，分析討論了各組成部分的設計重點，為恐龍機器人頸部運動結構的設計提供新思路與參考價值。設計與制造的恐龍機器人頸部運動結構在裝配調試后可以實現區(qū)別于除當前的恐龍機器人頸部運動結構設計方案達到上下俯仰，左右側擺以外，還能夠實現旋轉扭頭，且配件設施簡單、結構緊湊，環(huán)境溫度對其影響小，進一步驗證了模型設計過程與優(yōu)化過程的正確性和結論的合理性。