舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)概述*

安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 安徽 合肥 230601

引言

機(jī)器人作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，在機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用過程中機(jī)器人技術(shù)越來越成熟，如今已經(jīng)可以代替人類從事危險(xiǎn)環(huán)境及不適合人類工作環(huán)境下工作，使得工廠的生產(chǎn)趨向于自動(dòng)化發(fā)展。舞蹈機(jī)器人作為新時(shí)代的產(chǎn)物，在未來人類的生活中將逐漸常見，兼具功能與外觀，生動(dòng)有趣的形象，為生活帶來無窮樂趣。

機(jī)器人主要分為兩大類：一類是用于工業(yè)技術(shù)上的生產(chǎn)制造，從而解放人類勞動(dòng)力，同時(shí)也代替人類進(jìn)行高危事業(yè)保證人類生命安全；另一類用于非制造環(huán)境下的特種機(jī)器人如服務(wù)、醫(yī)療、娛樂機(jī)器人等。隨著機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也日新月異，機(jī)器人技術(shù)已被用于軍事、醫(yī)療及娛樂等行業(yè)，舞蹈機(jī)器人正是娛樂機(jī)器人的一類。

從近幾年世界范圍內(nèi)推出的機(jī)器人產(chǎn)品來看，舞蹈機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化；PC化和網(wǎng)絡(luò)化;伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化。舞蹈機(jī)器人在日本、韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等各個(gè)國(guó)家都先后有不同程度的發(fā)展，尤其是在日本已經(jīng)有突破性的發(fā)展。在舞蹈機(jī)器人科技方面，中國(guó)還處于萌芽階段。就中國(guó)而言，機(jī)器人很少向娛樂行業(yè)發(fā)展，當(dāng)我們的舞蹈機(jī)器人出現(xiàn)在娛樂舞臺(tái)上時(shí)，必將使娛樂方式更，加時(shí)代化、多元化，使娛樂內(nèi)容更加豐富多彩。

1 設(shè)計(jì)思路

首先對(duì)總體進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，確定舞蹈機(jī)器人的功能、結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)硬件配置。其中機(jī)械設(shè)計(jì)為最主要的環(huán)節(jié)。舞蹈機(jī)器人整體設(shè)計(jì)分為主體設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖1所示。主體采用各個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)人類的各種舞蹈動(dòng)作，具有臂部與腕部和手部同時(shí)也配備足部膝部，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的行走過程。各個(gè)部位具有單獨(dú)的動(dòng)力系統(tǒng)，這樣使得動(dòng)力的傳輸更加直接切損耗較小[1]。

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舞蹈機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)主要由舵機(jī)、電壓較小的直流馬達(dá)和微小型伺服電機(jī)來組成，根據(jù)確定的自由度和各個(gè)肢體所要表達(dá)的動(dòng)作幅度來卻定具體所要選用的動(dòng)力組成件。

主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)可分為頭部、各彎曲關(guān)節(jié)部位和供其移動(dòng)的底座三大動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成，其底座要求能夠模擬人類獨(dú)立行走且運(yùn)動(dòng)角度在不斷的呈現(xiàn)不規(guī)律變化故選用單獨(dú)futabas3003舵機(jī)進(jìn)行控制；該舵機(jī)扭力可達(dá)4.1千克且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機(jī)，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角可達(dá)180°可實(shí)現(xiàn)任意角度運(yùn)動(dòng)。各關(guān)節(jié)部位可有伺服電機(jī)提供動(dòng)力，因?yàn)樗欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度如圖3所示。為了確保頭部能夠具有旋轉(zhuǎn)扭動(dòng)功能本設(shè)計(jì)采用電壓較小的直流電動(dòng)馬達(dá)來為其提供動(dòng)力，供電方式為間斷性瞬間供電以確?？梢詫?shí)現(xiàn)微小扭頭及擺頭動(dòng)作[2]。

圖3 伺服電機(jī)脈沖角度

3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為直流馬達(dá)傳動(dòng)、伺服電機(jī)傳動(dòng)和舵機(jī)傳動(dòng)，直流馬達(dá)直接與頭部肢體相連接通過間斷性瞬間供電，馬達(dá)輸出效率直接傳遞到舞蹈機(jī)器人的頭部，以帶動(dòng)頭部的旋轉(zhuǎn)及擺頭動(dòng)作來達(dá)到頭部運(yùn)動(dòng)的效果，如圖4所示。

舞蹈機(jī)器人的各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)主要通過伺服電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，伺服電機(jī)裝置在舞蹈機(jī)器人的身體內(nèi)部傳動(dòng)距離較長(zhǎng)，各動(dòng)力需要傳輸?shù)讲煌牟课?，伺服電機(jī)的脈沖電流輸出穩(wěn)定的動(dòng)力通過聯(lián)軸器與V帶傳動(dòng)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(dòng)大齒輪達(dá)到減速的目的，最后通過聯(lián)軸器把動(dòng)力傳輸?shù)轿璧笝C(jī)器人的活動(dòng)關(guān)節(jié)，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

舞蹈機(jī)器人的底座移動(dòng)部分采用舵機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)來控制舵機(jī)的移動(dòng)，經(jīng)過電路板上的IC驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳輸至底座，同時(shí)位置檢測(cè)器送回訊號(hào)以判斷是否達(dá)到定位。舵機(jī)與底座之間采用齒輪嚙合連接[3]。

圖4 動(dòng)力控制圖

圖5 電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

4 肢體表達(dá)設(shè)計(jì)

舞蹈機(jī)器人整體的肢體表達(dá)應(yīng)具有足夠的靈活性，本舞蹈機(jī)器人具有頭部、肩部、肘部、腕部、腰部、膝部、腳部等多個(gè)可活動(dòng)關(guān)節(jié)來模仿人類的舞蹈動(dòng)作，各關(guān)節(jié)控制如圖4所示。頭部用直流馬達(dá)控制具有一個(gè)自由度一用來完成頭部的左右轉(zhuǎn)動(dòng)；上身軀干一共具有六個(gè)自由度，全部由各個(gè)部位的伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，分別為左右肩部?jī)蓚€(gè)自由度，用來完成肩部手臂的揮動(dòng)，左右肘部?jī)蓚€(gè)自由度，用來完成小手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，剩下兩個(gè)自由度為左右手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以很好地模仿舞蹈過程中的甩手動(dòng)作；腰部由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有一個(gè)自由度以實(shí)現(xiàn)腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)舞蹈過程中的扭腰動(dòng)作；下身軀干一共具有六個(gè)自由度，分別為腿部?jī)蓚€(gè)自由度來完成抬腿動(dòng)作，膝部?jī)蓚€(gè)自由度來完成下蹲動(dòng)作，腳部?jī)蓚€(gè)自由度來完成自由行走，其中腳步兩個(gè)自由度由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)另外四個(gè)自由度由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。舞蹈機(jī)器人的整體外觀由3D打印模型外殼進(jìn)行拼接完成，首先在soliddorks軟件上進(jìn)行建模繪制出實(shí)際尺寸的外殼3D模型，再由3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最后對(duì)各個(gè)軀干零部件進(jìn)行組裝，將齒輪和各驅(qū)動(dòng)件進(jìn)行包裹[4]。

圖6 各關(guān)節(jié)控制圖

5 總結(jié)

舞蹈機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)采用直流馬達(dá)、伺服電機(jī)和舵機(jī)分區(qū)分機(jī)構(gòu)獨(dú)立傳動(dòng)；傳動(dòng)系統(tǒng)采用直接傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)等多種傳動(dòng)方式相結(jié)合；肢體表達(dá)設(shè)計(jì)采用3D打印技術(shù)通過三維軟件進(jìn)行建模能夠更好地將舞蹈機(jī)器人的外觀具體化。

6 結(jié)束語

目前市面上舞蹈機(jī)器人尚處于探索階段，大部分舞蹈機(jī)器人不能夠很好的模仿人體的肢體表達(dá)，不能將舞蹈動(dòng)作完整的做出。本舞蹈機(jī)器人采用分級(jí)驅(qū)動(dòng)與3D打印外殼，不僅具有機(jī)器人的外表還可以準(zhǔn)確表達(dá)各種舞蹈姿勢(shì)。經(jīng)過計(jì)算與調(diào)整來確定各個(gè)部位所需的扭矩及應(yīng)力，選用不同的驅(qū)動(dòng)件經(jīng)行驅(qū)動(dòng)，確保舞蹈機(jī)器人的活動(dòng)。市面上采用多級(jí)傳動(dòng)分區(qū)驅(qū)動(dòng)的舞蹈機(jī)器人，大部分機(jī)器人都是直接進(jìn)行傳動(dòng)且提供動(dòng)力系統(tǒng)單一，大部分舞蹈機(jī)器人采用木制或不銹鋼外殼而本舞蹈機(jī)器人所采用的為3D打印外殼具有足夠的安全性和美觀性。