人型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述

人型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述摘要：目前機器人的創(chuàng)新主要集中于軟硬件升級以及各方面功能的實現(xiàn)，但是隨著人們對于機器人的不同需求，對于人型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題也逐步進入了人們的視野，醫(yī)護機器人和服務(wù)型機器人大多都采取人型機器人的方式設(shè)計，而如何能將人形機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化提升，更符合人的運動特性成為了近些年人們主要的研究方向。關(guān)鍵詞：人型機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；運動特性引言：目前機器人的軟件或者硬件頻繁更新?lián)Q代，而本體結(jié)構(gòu)發(fā)展較為緩慢，大多依然依靠傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機器人的功能性匹配度不高，性能不穩(wěn)定。目前，國內(nèi)機器人行業(yè)并未形成一定的市場，研究機構(gòu)主要以科研院所及高校為主，沒有投放到市場，制約因素之一就是由于機器人功能性匹配度不高，導(dǎo)致研發(fā)成本高、經(jīng)濟效益低；此外一些核心的關(guān)鍵部件依然依靠進口，要盡快突破這一瓶頸，對機器人本體結(jié)構(gòu)的研究創(chuàng)新必不可少[1]。1.人形機器人結(jié)構(gòu)研究韓瑞瑞、王少坤設(shè)計的一種仿人型體操機器人，首先確定機器人的中心位置為腰部，以腰部為分界線，從上肢、下肢兩個角度進行舵機分配。人體上肢僅保留三個重要部分：頸部、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。將肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運動簡化為上下擺動，所以雙臂分別設(shè)計為兩個水平的自由度共4個舵機。下肢舵機的舵機分配要考慮機器人的行走功能。機構(gòu)包括腿部和足部，腿部由大腿和小腿組成，腿部結(jié)構(gòu)采用8個舵機進行設(shè)計，每條腿是4個舵機，分別為偏移重心舵機（踝關(guān)節(jié)舵機）、膝關(guān)節(jié)舵機以及髖關(guān)節(jié)（胯部舵機），其中膝關(guān)節(jié)且有兩個舵機采用無機構(gòu)件連接方式進行組裝，從而使它的整體身高長度縮短，降低重心。足部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計是采用傳統(tǒng)的正方形方案，受力更加均勻的，設(shè)計的第一代和第二代機器人實物圖如圖1所示[2]。圖1仿人型體操機器人戴珊珊，陳慶賀所設(shè)計的基于并聯(lián)機構(gòu)的仿人機器人，能并行連接為多個運動副作用同一部件，空間體積較大，但是運動靈活，承載力較大，可以應(yīng)用于機器人頭部、腰部的連接方式。機器人的自由度數(shù)量直接限制了機器人的運動性能，當(dāng)然自由度也不是越多越好，自由度的數(shù)量也直接決定了機器人控制的復(fù)雜程度，每個自由度協(xié)調(diào)運動才能完成動作。在設(shè)計中，考慮機器人的整體尺寸以及機器人重要的驅(qū)動部件舵機的承載力矩，機器人的體積不能過大，各個部分比例模仿人形結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。為了能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的雙足行走，腿部結(jié)構(gòu)自由度采用2+1+2的結(jié)構(gòu)，滿足機器人實現(xiàn)雙足步行的需要。在機器人肩部、髖部和踝部為具有兩個自由度的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，采用驅(qū)動電機串聯(lián)方式構(gòu)成。機器人重心位置是機器人移動性能的重要條件，重心位置設(shè)計在腰部，穩(wěn)定性較高。機器人構(gòu)型如圖2所示[3]。圖2仿人舞蹈機器人機械結(jié)構(gòu)圖在國外研究中，日本、美國在人型機器人研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，波士頓動力是一家成立于1992年的工程和機器人設(shè)計公司，總部位于馬薩諸塞州沃爾瑟姆，波士頓動力以開發(fā)一系列動態(tài)高機動性機器人而聞名，其中包括BigDog，Spot，Atlas和Handle。如圖1所示，從2009年，波士頓動力開始研發(fā)PETMAN人形機器人，主要用于測試個人防護裝備在危險化學(xué)環(huán)境中對人的影響。在美國國防高級研究計劃局（DARPA）的資助和監(jiān)督下，波士頓動力公司于2013年7月11日向公眾公開Atlas機器人，身高188cm，體重150kg，其設(shè)計目的是為了搜索和救援任務(wù)。在2016年，波士頓動力在視頻網(wǎng)站上發(fā)布了新一代的Atlas機器人，這一代機器人身高175cm，體重81.6kg；在2018年，波士頓動力進一步對機器人進行了優(yōu)化設(shè)計，最新身高1.5m，體重80kg，全身具有28個關(guān)節(jié)，速度能達到1.5m/s，能完成快速小跑、三級跳、后空翻和空中體操等一些列復(fù)雜動作，其動態(tài)性能是目前已公開中最好人形機器人。日本索尼也推出了一款娛樂型機器人“SDR-3X”，主要面向兒童及青少年，機器人可以進行踢足球、跳舞等娛樂活動，自由度達到了幾十個[4]。2.總結(jié)隨著機器人水平的日新月異，各種對于機器人的需求也層出不窮，因此人型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展還需要面臨極大的挑戰(zhàn)，雖然目前對于人形機器人的設(shè)計已經(jīng)十分先進，但是為了能夠真正達到代替人工完成一系列危險性工作或服務(wù)型工作，則需要人們更加完善機器人的結(jié)構(gòu)特點，將機器人與人體結(jié)構(gòu)類型作比較。機器人本體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性研究也能夠增加機器人的自主性，減少對高精度、智能化軟硬件的依賴，使機器人學(xué)習(xí)時間降低，穩(wěn)定性和可靠性增加。相信在不久的將來，我們將會看到與人體結(jié)構(gòu)十分接近的人形機器人的誕生。參考文獻：[1]胡艷凱.仿人型機器人結(jié)構(gòu)綜述[J].南方農(nóng)機,2020,51(17):65-67.[2]韓瑞瑞,王少坤.一種仿人型體操機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J].電子技術(shù)與軟件工程,2021(05):78-79.[3]戴珊珊,陳慶