舞蹈機器人設計概述*

安徽三聯學院 機械工程學院 安徽 合肥 230601

引言

機器人作為20世紀人類最偉大的發明之一，在機器人的發展與應用過程中機器人技術越來越成熟，如今已經可以代替人類從事危險環境及不適合人類工作環境下工作，使得工廠的生產趨向于自動化發展。舞蹈機器人作為新時代的產物，在未來人類的生活中將逐漸常見，兼具功能與外觀，生動有趣的形象，為生活帶來無窮樂趣。

機器人主要分為兩大類：一類是用于工業技術上的生產制造，從而解放人類勞動力，同時也代替人類進行高危事業保證人類生命安全；另一類用于非制造環境下的特種機器人如服務、醫療、娛樂機器人等。隨著機械、計算機、電子等技術的發展，機器人技術也日新月異，機器人技術已被用于軍事、醫療及娛樂等行業，舞蹈機器人正是娛樂機器人的一類。

從近幾年世界范圍內推出的機器人產品來看，舞蹈機器人技術正在向智能化、系統化的方向發展。其發展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化；PC化和網絡化;伺服驅動技術的數字化和分散化。舞蹈機器人在日本、韓國、美國、中國等各個國家都先后有不同程度的發展，尤其是在日本已經有突破性的發展。在舞蹈機器人科技方面，中國還處于萌芽階段。就中國而言，機器人很少向娛樂行業發展，當我們的舞蹈機器人出現在娛樂舞臺上時，必將使娛樂方式更，加時代化、多元化，使娛樂內容更加豐富多彩。

1 設計思路

首先對總體進行分析和設計，確定舞蹈機器人的功能、結構和各項硬件配置。其中機械設計為最主要的環節。舞蹈機器人整體設計分為主體設計、動力系統設計、傳動系統設計。如圖1所示。主體采用各個單獨系統聯合控制實現，能夠實現人類的各種舞蹈動作，具有臂部與腕部和手部同時也配備足部膝部，能夠實現獨立的行走過程。各個部位具有單獨的動力系統，這樣使得動力的傳輸更加直接切損耗較小[1]。

2 動力系統設計

舞蹈機器人的動力系統主要由舵機、電壓較小的直流馬達和微小型伺服電機來組成，根據確定的自由度和各個肢體所要表達的動作幅度來卻定具體所要選用的動力組成件。

主要動力系統可分為頭部、各彎曲關節部位和供其移動的底座三大動力系統構成，其底座要求能夠模擬人類獨立行走且運動角度在不斷的呈現不規律變化故選用單獨futabas3003舵機進行控制；該舵機扭力可達4.1千克且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機，其結構如圖2所示。裝有減震防撞軸承，減少摩擦并且完全密封，具有較高的安全性和美觀度。其轉角可達180°可實現任意角度運動。各關節部位可有伺服電機提供動力，因為伺服電機本身具備發出脈沖功能，所以伺服電機每旋轉一個角度都會發出對應數量的脈沖，其轉動角度如圖3所示。為了確保頭部能夠具有旋轉扭動功能本設計采用電壓較小的直流電動馬達來為其提供動力，供電方式為間斷性瞬間供電以確保可以實現微小扭頭及擺頭動作[2]。

圖3 伺服電機脈沖角度

3 傳動系統設計

傳動系統主要分為直流馬達傳動、伺服電機傳動和舵機傳動，直流馬達直接與頭部肢體相連接通過間斷性瞬間供電，馬達輸出效率直接傳遞到舞蹈機器人的頭部，以帶動頭部的旋轉及擺頭動作來達到頭部運動的效果，如圖4所示。

舞蹈機器人的各個活動關節主要通過伺服電機帶動傳動機構進行傳動，伺服電機裝置在舞蹈機器人的身體內部傳動距離較長，各動力需要傳輸到不同的部位，伺服電機的脈沖電流輸出穩定的動力通過聯軸器與V帶傳動相連，V帶的另一端利用減速器的齒輪嚙合作用以小齒輪帶動大齒輪達到減速的目的，最后通過聯軸器把動力傳輸到舞蹈機器人的活動關節，電動機傳動結構如圖5所示。

舞蹈機器人的底座移動部分采用舵機傳動系統，由接收機發出訊號給舵機來控制舵機的移動，經過電路板上的IC驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳輸至底座，同時位置檢測器送回訊號以判斷是否達到定位。舵機與底座之間采用齒輪嚙合連接[3]。

圖4 動力控制圖

圖5 電機傳動系統

4 肢體表達設計

舞蹈機器人整體的肢體表達應具有足夠的靈活性，本舞蹈機器人具有頭部、肩部、肘部、腕部、腰部、膝部、腳部等多個可活動關節來模仿人類的舞蹈動作，各關節控制如圖4所示。頭部用直流馬達控制具有一個自由度一用來完成頭部的左右轉動；上身軀干一共具有六個自由度，全部由各個部位的伺服電機來驅動，分別為左右肩部兩個自由度，用來完成肩部手臂的揮動，左右肘部兩個自由度，用來完成小手臂的轉動，剩下兩個自由度為左右手腕的轉動，可以很好地模仿舞蹈過程中的甩手動作；腰部由伺服電機驅動，具有一個自由度以實現腰部的轉動，可實現舞蹈過程中的扭腰動作；下身軀干一共具有六個自由度，分別為腿部兩個自由度來完成抬腿動作，膝部兩個自由度來完成下蹲動作，腳部兩個自由度來完成自由行走，其中腳步兩個自由度由舵機驅動另外四個自由度由伺服電機驅動。舞蹈機器人的整體外觀由3D打印模型外殼進行拼接完成，首先在soliddorks軟件上進行建模繪制出實際尺寸的外殼3D模型，再由3D打印機進行打印，最后對各個軀干零部件進行組裝，將齒輪和各驅動件進行包裹[4]。

圖6 各關節控制圖

5 總結

舞蹈機器人的動力系統采用直流馬達、伺服電機和舵機分區分機構獨立傳動；傳動系統采用直接傳動、齒輪傳動、帶輪傳動等多種傳動方式相結合；肢體表達設計采用3D打印技術通過三維軟件進行建模能夠更好地將舞蹈機器人的外觀具體化。

6 結束語

目前市面上舞蹈機器人尚處于探索階段，大部分舞蹈機器人不能夠很好的模仿人體的肢體表達，不能將舞蹈動作完整的做出。本舞蹈機器人采用分級驅動與3D打印外殼，不僅具有機器人的外表還可以準確表達各種舞蹈姿勢。經過計算與調整來確定各個部位所需的扭矩及應力，選用不同的驅動件經行驅動，確保舞蹈機器人的活動。市面上采用多級傳動分區驅動的舞蹈機器人，大部分機器人都是直接進行傳動且提供動力系統單一，大部分舞蹈機器人采用木制或不銹鋼外殼而本舞蹈機器人所采用的為3D打印外殼具有足夠的安全性和美觀性。