類人機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真*

吳金海，張艷華，黃自強(qiáng)，張淑萍，李真真

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083）

0 引言

由于對(duì)機(jī)器人和高效機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)是第四次工業(yè)革命的基石，各國(guó)需要采取一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略來應(yīng)對(duì)自動(dòng)化的潛在挑戰(zhàn)，而教育必須是這項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略的中心[1]。近年來，機(jī)器人教育慢慢成為了熱點(diǎn)，很多機(jī)器人教育、編程教育培訓(xùn)應(yīng)運(yùn)而生，一些中小學(xué)也開設(shè)了機(jī)器人課程[2]。機(jī)器人教育的目的是讓承載著新的使命的年輕一代們從小接觸這一先進(jìn)事物，從感興趣開始，到知道機(jī)器人的原理應(yīng)用，到簡(jiǎn)單機(jī)器人的制作，到真正愛上機(jī)器人技術(shù)，為國(guó)家科技水平的進(jìn)一步提高儲(chǔ)備優(yōu)秀人才。

機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械原理、電子傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)[3]。作為機(jī)械類專業(yè)的大學(xué)生，熟悉各種常用的機(jī)構(gòu)，并能夠靈活運(yùn)用，是必不可少的技能。但在實(shí)際教學(xué)中，使用的各機(jī)構(gòu)的案例相對(duì)分散，因此設(shè)計(jì)一款集各機(jī)構(gòu)于一體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、趣味十足的教具機(jī)器人是非常有意義的。由于類人機(jī)器人仿人形的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，及其具有未來進(jìn)入家庭或代替人類去完成危險(xiǎn)工作的先天優(yōu)勢(shì)，使得對(duì)類人機(jī)器人的研究不僅具有學(xué)術(shù)意義，還有很高的應(yīng)用價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人是一種面向家庭服務(wù)、娛樂教育的機(jī)器人，目的在于增加課堂教學(xué)的直觀性和趣味性。故在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，把握以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：（1）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成應(yīng)以常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)為依托，驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單；（2）機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該便于用戶裝拆，不僅有利于研發(fā)階段的安裝調(diào)試，也有利于機(jī)器人接線不良等情況下的維修；（3）機(jī)器人優(yōu)先實(shí)現(xiàn)類人形動(dòng)作的功能，但是仍然應(yīng)該留足空間，方便以后其他功能的拓展，比如多開孔便于以后傳感器的安裝，同時(shí)也能減輕機(jī)器人的質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

要想保證機(jī)器人身體平衡并能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)動(dòng)作和復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人的硬件機(jī)械設(shè)計(jì)很重要[4]。此次設(shè)計(jì)出的機(jī)器人機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要包括頭部、身體、手臂和腿部行走機(jī)構(gòu)[5]。

圖1 機(jī)器人總體裝配圖Fig.1 General assembly drawing of robot

其中手臂部件分為左臂和右臂，分別位于身體的左右兩側(cè)；腿部行走機(jī)構(gòu)位于身體的下方。頭部和左右手臂由1個(gè)電動(dòng)機(jī)通過曲軸帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作。其腿部為楊森行走連桿機(jī)構(gòu)，由1個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)腿部連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)4個(gè)足部交替行走[6]。身體部件只進(jìn)行了造型設(shè)計(jì)。

此機(jī)器人設(shè)計(jì)采用的主要傳動(dòng)方式包括電動(dòng)機(jī)、齒輪機(jī)構(gòu)、復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)等，可以用于教學(xué)中做機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的演示，可使用SolidWorks進(jìn)行模型的展示或動(dòng)作模擬，也可以3D打印成型組裝實(shí)物演示。

1.2 驅(qū)動(dòng)選擇

在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式選擇上，主要有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)等可供選型使用。舵機(jī)依賴其簡(jiǎn)單的控制及角度控制，有著非常普遍的應(yīng)用，特別是在小型機(jī)械手臂、航模中，本文選用SG90舵機(jī)作為人形部分的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

直流電機(jī)作為常見的普通電機(jī)，其在各種玩具中使用較多，且其啟動(dòng)特性和調(diào)速特性較好，調(diào)速范圍寬廣，在不同輸入驅(qū)動(dòng)電壓的條件下，可以輸出不同的轉(zhuǎn)速，且調(diào)速特性較平滑，此外，直流電機(jī)具備較高的過載能力，特別是起動(dòng)和制動(dòng)的瞬間能夠具有較高的轉(zhuǎn)矩。本文設(shè)計(jì)的四足人形機(jī)器人，其底盤結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中需要啟停具有較大的轉(zhuǎn)矩，且希望能夠具有較寬的調(diào)速范圍，因此，本文設(shè)計(jì)的人形機(jī)器人足部采用BM8206微型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頭部

2.1.1 機(jī)構(gòu)

頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過單電機(jī)經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一根主軸，主軸為一曲軸，如圖2所示，此曲軸同時(shí)要帶動(dòng)手臂實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，圖中隱藏了手臂部分零部件。主軸與各運(yùn)動(dòng)輸出是通過曲柄滑塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

圖2 頭部結(jié)構(gòu)Fig.2 Head structure

驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸的旋轉(zhuǎn)作用類似于曲柄繞著某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，連桿的一端開有與曲軸等徑但與曲軸間隙配合的圓孔，實(shí)現(xiàn)鉸接的效果，連桿的另一端與上下移動(dòng)的脖頸連接，曲軸帶動(dòng)連桿周期性運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑塊與機(jī)器人頭部固定連接，從而帶動(dòng)頭部上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頭的效果。

2.1.2 造型

頭部的外觀形象直接影響到了機(jī)器人整體給人的感覺，大部分零售機(jī)器人設(shè)計(jì)出恰到好處的人類特質(zhì)，讓它們看起來十分友善，但是外表上還是和人類有所區(qū)別，暗示它們不會(huì)取代人類，給人們以自信?；谶@些社會(huì)心理學(xué)因素，對(duì)頭部采用曲面造型進(jìn)行三維建模，使用PhotoView360進(jìn)行了外觀設(shè)置和渲染，造型和渲染效果如圖3所示，外觀可愛，引人注目。

圖3 頭部造型Fig.3 The shape of the head

2.2 手臂

手臂結(jié)構(gòu)如圖4所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)曲軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸的主軸與曲軸上的圓非同心圓，所以在曲軸的主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)曲軸上的圓進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，曲軸的旋轉(zhuǎn)作用類似于曲柄繞著某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，連桿的一端開有與曲軸等徑但與曲軸間隙配合的圓孔，實(shí)現(xiàn)鉸接的效果，在主軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，主軸上的圓會(huì)帶動(dòng)連桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，連桿的另一端與手臂連接軸相連，又因?yàn)槭直凵嫌泄潭ㄟB接軸，所以連桿推動(dòng)連接軸的時(shí)候，曲軸帶動(dòng)連桿周期性運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)手臂周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，手臂將會(huì)進(jìn)行上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂搖擺動(dòng)作的效果。

圖4 手臂結(jié)構(gòu)模型實(shí)物Fig.4 Physical drawing of arm structure model

2.3 腿部

機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是機(jī)器人的關(guān)鍵部分，為了適應(yīng)家庭環(huán)境快速靈活地移動(dòng)，必須滿足以下幾個(gè)基本條件：（1）穩(wěn)定行走；（2）具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力[7]。在實(shí)際中，足式機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)大都采用連桿機(jī)構(gòu)[8]，本文機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)為一款以楊森行走連桿[9]為基礎(chǔ)的四足行走機(jī)構(gòu)[10-11]，以單動(dòng)力純機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人腿部，即使用微型電動(dòng)機(jī)作為整體動(dòng)力代替楊森行走機(jī)器人中的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)通過齒輪傳動(dòng)的方式讓其以恒定的步態(tài)實(shí)現(xiàn)四足行走的目的，如圖5所示。由于腿部上方還有人形部分結(jié)構(gòu)，為了使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來更加平穩(wěn)，改善整體的不平衡，最簡(jiǎn)單方法就是增大每只腳與地面的接觸面積，這就必須在每個(gè)腿部安裝多一個(gè)類似腳板的部件。

圖5 腿部結(jié)構(gòu)Fig.5 Leg structure

3 運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 頭部和手臂仿真

機(jī)器人的頭部和手臂是由一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過同一根曲軸帶動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成動(dòng)作，故二者的動(dòng)作是聯(lián)動(dòng)的，其對(duì)應(yīng)的位置如圖6所示。

圖6 頭部和手臂運(yùn)動(dòng)位置仿真Fig.6 Motion position simulation of head and arm

對(duì)于頭部的運(yùn)動(dòng)，使用SolidWorks的Motion插件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，得到的頭部位移曲線如圖7所示。

圖7 頭部運(yùn)動(dòng)位移曲線Fig.7 Movement displacement curveof head

3.2 腿部行走動(dòng)作軌跡

機(jī)器人的4個(gè)腿部結(jié)構(gòu)均采用曲柄搖桿原理的多連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖8所示，由7個(gè)構(gòu)件組成（不含機(jī)架），運(yùn)動(dòng)副含有10個(gè)低副，其中包含3個(gè)復(fù)合鉸鏈，自由度為1，可實(shí)現(xiàn)確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[12]。

圖8 腿部連桿機(jī)構(gòu)Fig.8 Leg linkage

腿部結(jié)構(gòu)中，機(jī)架8為固定件，曲柄6為動(dòng)力部件并做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)通過連桿7、4、1、2、5，最終傳遞至連桿3，實(shí)現(xiàn)足部的移動(dòng)和支撐。

通過SolidWorks軟件的基本運(yùn)動(dòng)仿真的觀察，可以得出整個(gè)腿部四足行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)行走軌跡如圖9所示。從圖中可以看出每次抬腳落腳都是對(duì)角的兩只腿部同時(shí)運(yùn)動(dòng)，以此來實(shí)現(xiàn)行走動(dòng)作。

圖9 腿部行走軌跡Fig.9 Walking track of legs

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分考慮使用環(huán)境、成本控制、控制方案等，設(shè)計(jì)出一款人形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks軟件為手段，將各機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行靈活應(yīng)用，并很好地結(jié)合，最終獲得一個(gè)可以輔助教學(xué)的模型，對(duì)于機(jī)械類相關(guān)課程的教學(xué)及機(jī)器人的研究都能提供很大的幫助。并為后續(xù)機(jī)器人的自動(dòng)化控制提供機(jī)械基礎(chǔ)。本文的主要內(nèi)容和成果如下。

（1）結(jié)合人形家庭服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了一種人形機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，并對(duì)頭部結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)及腿部功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

（2）利用SolidWorks軟件建立了仿人形機(jī)器人的相關(guān)零部件的三維模型，并裝配生成人形機(jī)器人的總裝圖。

（3）運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)器人頭部、手臂和腿部的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬和仿真。