基于3D打印技術的雙足機器人創(chuàng)新實驗平臺

摘 要：隨著國外3D打印技術的不斷發(fā)展以及取得的成功，國內關于3D打印技術的研究也開始逐漸發(fā)展，3D打印技術甚至開始被應用于機器人的創(chuàng)新研究，本文主要對雙足機器人和3D打印技術研究現狀進行分析，并嘗試建立基于3D打印技術的雙足機器人創(chuàng)新實驗。

關鍵詞：3D打印技術；雙足機器人；創(chuàng)新研究

3D打印是在普通打印機基礎上發(fā)展起來的，利用統(tǒng)一工作原理，旨在將平面打印技術發(fā)展到立體平面，實現一維到多維的技術轉變，3D打印以數字模型為基礎，利用電腦相關技術，將打印機與電腦連接，通過電腦控制可以將打印材料進行逐層打印，最終可以把計算機上的設計圖變成實物，這一技術具有鮮明的技術特點，操作簡單易懂，是一種具有極大潛力、能夠在多個方面產生作用、發(fā)揮優(yōu)勢的高科技。

一、3D打印技術國內外研究現狀

20世紀80年代末，美國的一位科學家最早發(fā)明了一臺專門用于商業(yè)行為的3D打印機，這引起了人們的關注，之后美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得授權開始進行3D打印機的開發(fā)。早期就有科研團隊利用3D打印機制成汽車，之后這一技術逐漸被用于多個產業(yè)。早期經常被用于模具的制造、工業(yè)設計以及某些專業(yè)零件的制作，但這種技術與一般的打印技術相比，層次更高，技術水平要求也更高，該技術具體操作過程中采用的材料、操作步驟也比普通打印要復雜得多。之所以通俗地稱其為“打印機”是因為3D打印參照了普通打印機的技術原理，因此才將其稱為3D層面的打印技術，這種技術一般通過數字技術材料打印機實現。

隨著國外3D打印技術的不斷發(fā)展以及取得的成功，國內關于3D打印技術的研究也開始逐漸發(fā)展，這一技術最開始引起了不少企業(yè)和高校的關注，杭州、深圳、武漢、北京地區(qū)分布著一些大力致力于3D打印技術研究并且已經取得一些進展的企業(yè)，其中北京地區(qū)的隆源等企業(yè)已經上市。但我國3D打印技術與國外發(fā)展水平相比還相去甚遠，大部分企業(yè)進行這方面的技術研究時，都是代理國外先進的3D打印設備，缺乏先進的、獨立研發(fā)的打印技術，有些企業(yè)甚至都放棄了這一技術的研究，一味依靠國外技術的發(fā)展，缺乏獨立思考進行探索的勇氣和探索力，出現這一現象的主要原因除了缺少獨自思考的習慣，還包括科研資金短缺的問題，關于高校研究方面，清華大學，華中科技大學，西安交通大學，北京航空航天大學等同樣采取從國外購買設備的方式進行進一步研究最終建立一個3D打印研究平臺，進行相關技術的研發(fā)，相對而言取得了較好的成績，這些高校的研究結果也在我國產業(yè)各方面得到了應用。

二、仿人機器人研究現狀

仿人機器人是機器人技術中的一個重要研究課題，其研究大概開始于本世紀的60年代末，雖然發(fā)展時間較晚，但發(fā)展勢頭迅猛，而雙足機器人是仿人機器人研究的重要基礎。雙足機器人是模仿人類移動方式，進行高度自動化的一種先進的高科技機器人。美國是最早進行機器人研究的國家，日本雖然起步較慢，但其研究者巧妙的將半導體機械技術結合，使得日本機器人發(fā)達程度超過了美國，目前仍居于世界第一。當今發(fā)達社會，80%的機器人是日本制造的，目前國內外許多學者正從事于這一領域的研究，如今仿人機器人已成為機器人技術領域的主要研究方向之一。我國仿人機器人主要在包括國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、清華大學、上海交通大學、中國科學技術大學等在內的高校進行，它們致力于研制仿人機器人樣機。

三、基于3D打印技術的仿真機器人

目前關于雙足機器人的研究主要包括以下幾個方面：雙足機器人步行仿真研究、雙足機器人運動控制系統(tǒng)的研究，仿人機器人中最難以解決的問題在于模擬人類雙足步行系統(tǒng)的建立和后續(xù)的穩(wěn)定性研究，該過程一般通過動力學仿真軟件和MATLAB來實現，基于3D打印機進行的機器人研究處于我國目前的機器人研究的試驗和探索階段，這是一種全新的技術方法的采用，有學者針對3D打印機的性能特點，提出了一種基于3D打印技術建立的并聯機器人方案，經進一步可行性分析，結果表明：以并聯機構為核心結構的機器人具有很好的運動以及動力學性能，可以作為3D打印技術中相關行業(yè)的工具加以應用。本文在此研究基礎上，基于3D打印技術，嘗試建立雙足機器人實驗平臺，探索3D打印技術的高科技應用。

仿人機器人即“模仿人類行為進行正常指定活動的高性能機器人”，這種機器人正是在人體研究的基礎上經專業(yè)研究人員發(fā)展和構建起來的，仿人機器人的性能和形體結構的研究都是在人體研究基礎之上進行的，而正因為人的構造是長期自然發(fā)展而形成的，所以具有最優(yōu)性，如能量最優(yōu)，關節(jié)配置最優(yōu)等。為了使所設計的仿人機器人更能貼近于人，最終所要設計的仿人機器人整體身高大約為1.2米，在參考國內外仿人機器人的研究基礎上，本文研究認為，雙足機器人至少需要12個自由度才能滿足要求，即髖關節(jié)3個、膝關節(jié)1個、踝關節(jié)2個，為了之后的大批量生產，除了必要的零件和電機外，其余零件均利用3D打印技術來完成。

采用Maxon電機為機器人提供動力，并選用基于倒立擺的步態(tài)規(guī)劃方法對雙足機器人進行步態(tài)規(guī)劃，步態(tài)規(guī)劃需要收集地面相關信息，建立物理方程，這里就不再贅述，之后，為進一步確保機器人可操作性和靈活性，采用ZMP穩(wěn)定性判定準則分析機器人行走時的動態(tài)穩(wěn)定性，最后利用ADAMS軟件快速方便地創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型，然后在幾何模型上施加力、力矩和運動激勵的實際運動狀況，評估機器人設計和穩(wěn)定性技術構建的可行性，執(zhí)行一組與實際狀況十分接近的仿真測試，分析機械系統(tǒng)的實際運動狀況。如果結果可行，證明研究成功，如果數據顯示有問題，則需觀察相關數據，確定出現問題的步驟，重新進行研究和分析。

四、結束語

綜上所述，隨著國外3D打印技術的不斷發(fā)展，基于3D打印技術的雙足機器人創(chuàng)新實驗將繼續(xù)發(fā)展下去，這一技術將給機器人研究領域帶來新的革命。

參考文獻：

[1]薛國芳.基于3D打印技術的并聯機器人機構的動力學研究[J].機床與液壓，2016（45）：20-23.

[2]楊亮.基于3D打印技術的桌面足球機器人比賽系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2016（35）：66-68.

[3]楊亮.基于3D打印技術的雙足機器人創(chuàng)新實驗平臺[J].實驗技術與管理，2016（33）：131-133.

[4]常定勇.多輸出3D打印冗余并聯機器人的設計與分析[J].中國機械工程，2015（12）：93-94.

作者簡介：

支鐵山（1991.1.10—），男，甘肅張掖人，學士，廣西理工職業(yè)技術學院，研究方向：3D打印機器人方向。endprint