類人機器人機構設計及運動仿真*

吳金海，張艷華，黃自強，張淑萍，李真真

（廣東科技學院機電工程學院，廣東 東莞 523083）

0 引言

由于對機器人和高效機器學習的預測是第四次工業革命的基石，各國需要采取一項長期戰略來應對自動化的潛在挑戰，而教育必須是這項長期戰略的中心[1]。近年來，機器人教育慢慢成為了熱點，很多機器人教育、編程教育培訓應運而生，一些中小學也開設了機器人課程[2]。機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事物，從感興趣開始，到知道機器人的原理應用，到簡單機器人的制作，到真正愛上機器人技術，為國家科技水平的進一步提高儲備優秀人才。

機器人技術融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術[3]。作為機械類專業的大學生，熟悉各種常用的機構，并能夠靈活運用，是必不可少的技能。但在實際教學中，使用的各機構的案例相對分散，因此設計一款集各機構于一體的結構簡單合理、趣味十足的教具機器人是非常有意義的。由于類人機器人仿人形的機構設計，及其具有未來進入家庭或代替人類去完成危險工作的先天優勢，使得對類人機器人的研究不僅具有學術意義，還有很高的應用價值。

本文設計的機器人是一種面向家庭服務、娛樂教育的機器人，目的在于增加課堂教學的直觀性和趣味性。故在對其進行設計的時候，把握以下幾點設計要求：（1）機器人的結構組成應以常用的機械結構為依托，驅動方式簡單；（2）機器人的整體結構設計應該便于用戶裝拆，不僅有利于研發階段的安裝調試，也有利于機器人接線不良等情況下的維修；（3）機器人優先實現類人形動作的功能，但是仍然應該留足空間，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，同時也能減輕機器人的質量。

1 總體方案設計

1.1 機械設計

要想保證機器人身體平衡并能實現基礎動作和復雜動作，機器人的硬件機械設計很重要[4]。此次設計出的機器人機構如圖1所示，主要包括頭部、身體、手臂和腿部行走機構[5]。

圖1 機器人總體裝配圖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；腿部行走機構位于身體的下方。頭部和左右手臂由1個電動機通過曲軸帶動曲柄滑塊機構完成動作。其腿部為楊森行走連桿機構，由1個驅動電機驅動腿部連桿機構，帶動4個足部交替行走[6]。身體部件只進行了造型設計。

此機器人設計采用的主要傳動方式包括電動機、齒輪機構、復合連桿機構等，可以用于教學中做機構傳動的演示，可使用SolidWorks進行模型的展示或動作模擬，也可以3D打印成型組裝實物演示。

1.2 驅動選擇

在機器人的驅動方式選擇上，主要有步進電機、直流電機、舵機等可供選型使用。舵機依賴其簡單的控制及角度控制，有著非常普遍的應用，特別是在小型機械手臂、航模中，本文選用SG90舵機作為人形部分的驅動電機。

直流電機作為常見的普通電機，其在各種玩具中使用較多，且其啟動特性和調速特性較好，調速范圍寬廣，在不同輸入驅動電壓的條件下，可以輸出不同的轉速，且調速特性較平滑，此外，直流電機具備較高的過載能力，特別是起動和制動的瞬間能夠具有較高的轉矩。本文設計的四足人形機器人，其底盤結構在運動過程中需要啟停具有較大的轉矩，且希望能夠具有較寬的調速范圍，因此，本文設計的人形機器人足部采用BM8206微型直流電動機進行驅動。

2 機構設計

2.1 頭部

2.1.1 機構

頭部機構設計通過單電機經齒輪機構驅動一根主軸，主軸為一曲軸，如圖2所示，此曲軸同時要帶動手臂實現運動，圖中隱藏了手臂部分零部件。主軸與各運動輸出是通過曲柄滑塊的機械結構實現的。

圖2 頭部結構Fig.2 Head structure

驅動電機通過齒輪傳動帶動曲軸進行旋轉運動，曲軸的旋轉作用類似于曲柄繞著某個點旋轉，連桿的一端開有與曲軸等徑但與曲軸間隙配合的圓孔，實現鉸接的效果，連桿的另一端與上下移動的脖頸連接，曲軸帶動連桿周期性運動，從而帶動滑塊周期性往復運動，滑塊與機器人頭部固定連接，從而帶動頭部上下往復運動，實現點頭的效果。

2.1.2 造型

頭部的外觀形象直接影響到了機器人整體給人的感覺，大部分零售機器人設計出恰到好處的人類特質，讓它們看起來十分友善，但是外表上還是和人類有所區別，暗示它們不會取代人類，給人們以自信。基于這些社會心理學因素，對頭部采用曲面造型進行三維建模，使用PhotoView360進行了外觀設置和渲染，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

手臂結構如圖4所示，驅動電機通過齒輪傳動帶動曲軸進行旋轉運動，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時會帶動曲軸上的圓進行旋轉，曲軸的旋轉作用類似于曲柄繞著某個點旋轉，連桿的一端開有與曲軸等徑但與曲軸間隙配合的圓孔，實現鉸接的效果，在主軸旋轉的時候，主軸上的圓會帶動連桿進行運動，連桿的另一端與手臂連接軸相連，又因為手臂上有固定連接軸，所以連桿推動連接軸的時候，曲軸帶動連桿周期性運動，從而帶動手臂周期性往復運動，手臂將會進行上下擺動，實現手臂搖擺動作的效果。

圖4 手臂結構模型實物Fig.4 Physical drawing of arm structure model

2.3 腿部

機器人腿部結構的設計是機器人的關鍵部分，為了適應家庭環境快速靈活地移動，必須滿足以下幾個基本條件：（1）穩定行走；（2）具有較強的地形適應能力[7]。在實際中，足式機器人的行走機構大都采用連桿機構[8]，本文機器人腿部設計為一款以楊森行走連桿[9]為基礎的四足行走機構[10-11]，以單動力純機械傳動驅動整個機器人腿部，即使用微型電動機作為整體動力代替楊森行走機器人中的風力驅動通過齒輪傳動的方式讓其以恒定的步態實現四足行走的目的，如圖5所示。由于腿部上方還有人形部分結構，為了使機器人運動起來更加平穩，改善整體的不平衡，最簡單方法就是增大每只腳與地面的接觸面積，這就必須在每個腿部安裝多一個類似腳板的部件。

圖5 腿部結構Fig.5 Leg structure

3 運動仿真

3.1 頭部和手臂仿真

機器人的頭部和手臂是由一個電動機通過同一根曲軸帶動相應的機械結構完成動作，故二者的動作是聯動的，其對應的位置如圖6所示。

圖6 頭部和手臂運動位置仿真Fig.6 Motion position simulation of head and arm

對于頭部的運動，使用SolidWorks的Motion插件進行了運動分析，得到的頭部位移曲線如圖7所示。

圖7 頭部運動位移曲線Fig.7 Movement displacement curveof head

3.2 腿部行走動作軌跡

機器人的4個腿部結構均采用曲柄搖桿原理的多連桿復合機構實現運動，如圖8所示，由7個構件組成（不含機架），運動副含有10個低副，其中包含3個復合鉸鏈，自由度為1，可實現確定的相對運動[12]。

圖8 腿部連桿機構Fig.8 Leg linkage

腿部結構中，機架8為固定件，曲柄6為動力部件并做勻速轉動，動力和運動通過連桿7、4、1、2、5，最終傳遞至連桿3，實現足部的移動和支撐。

通過SolidWorks軟件的基本運動仿真的觀察，可以得出整個腿部四足行走機構的步態行走軌跡如圖9所示。從圖中可以看出每次抬腳落腳都是對角的兩只腿部同時運動，以此來實現行走動作。

圖9 腿部行走軌跡Fig.9 Walking track of legs

4 結束語

本文充分考慮使用環境、成本控制、控制方案等，設計出一款人形機器人的機械結構，利用SolidWorks軟件為手段，將各機械機構進行靈活應用，并很好地結合，最終獲得一個可以輔助教學的模型，對于機械類相關課程的教學及機器人的研究都能提供很大的幫助。并為后續機器人的自動化控制提供機械基礎。本文的主要內容和成果如下。

（1）結合人形家庭服務機器人的應用特點，提出了一種人形機器人設計方案，并對頭部結構、手臂結構及腿部功能結構進行了詳細的設計。

（2）利用SolidWorks軟件建立了仿人形機器人的相關零部件的三維模型，并裝配生成人形機器人的總裝圖。

（3）運用SolidWorks軟件對機器人頭部、手臂和腿部的功能設計進行了運動模擬和仿真。