基于3D打印技術的人形機器人結構設計與控制研究

龔郡 鄧騫 魏祥浩 陳悅 裴凱

摘 要：本研究目的是通過CAD軟件進行3D數字化設計，完成機器人結構仿生設計；并借助各種傳感器在PC平臺下進行編程，開發具有自主知識產權的人形機器人控制系統；實現3D打印人形機器人的自主研發和制造。因此，設計了基于3D打印技術的人形機器人創新實驗平臺。該平臺由人形機器人本體和ROS機器人控制系統組成，其中機器人本體的機械結構采用3D打印技術制作而成，擁有25個自由度，具有成本低、便于批量制造的優點；硬件控制電路采用teeny3.1，具有擴展性強的優點，采用ROS機器人操作系統 ，能夠完成遠程控制，圖像識別等功能。

關鍵詞：3D打??；仿人形；智能交互

一、引言

21世紀以來，國內外對機器人技術的發展越來越重視，隨著科技的進步，機器人技術的應用領域也在進一步擴大，機器人技術被認為是對未來新興產業發展具有重要意義的高技術之一。目前科技界研究機器人沿著三個方向前進：讓機器人具有更強的智能性和功能性，讓機器人更具人形、微型化。雖然機器人發展火熱，但機器人產品還存在推廣上的障礙：開發周期較長、運營成本高、易受到干擾、實用性較差、實時性與精確性存在矛盾、功能單一、應變能力不足等問題。

仿人機器人是當今機器人領域最熱門和前沿的研究方向之一，與傳統機器人相比，仿人機器人動作更加靈活，具有更廣闊的工作空間。不僅可以代替人類在危險復雜的環境中自主作業，還可以和人和諧相處，協助人類完成復雜動作，甚至在高科技戰場上也會發揮重要作用。

同時，本項目的人形機器人模擬人手臂手指的動作和轉向，實現物體的抓取，通過搭載相應的傳感器完成語音識別與交互，機器視覺感知等功能。它是機械、材料、電子、控制技術以及人工智能等多個領域新技術的綜合，其研究促進相關領域的發展；具有關節自由度多、耦合性強、階數高、非完整約束的特點，是機器人控制理論以及運動學、動力學研究的理想實驗平臺。

二、設計方案

1.基本思路

2.機器人的機構設計

本作品結構按照模塊化的設計，將人形機器人分成頭、脖、肩、上臂、前臂、手、軀干、胃等機械結構部分，按照對稱結構布局，利用仿生學原理，設計出大自由度靈巧手的人形機器人。由于打印機打印半徑的限制，將部分結構分塊設計，以適應打印機的大小。

頭：仿生學外殼設計，包括天靈蓋、后腦勺、眼、臉、上唇、下顎。其中下顎具有一個自由度，用舵機HK15298B控制，以模仿人說話的動作；整個頭還具有另外兩個模仿人點頭和搖頭的自由度，點頭用4頭大導程角蝸桿的反螺旋結構，搖頭用一對圓柱齒輪實現。眼部用攝像頭代替仿生眼球。

頸：與頭部對接，并于前后布有齒輪和蝸桿傳動機構，用于連接頭部，并實現頭部的上下和左右旋轉以及張頜等動作。

肩：連接器通過螺栓與軀干轉動連接，由電機帶動反螺旋結構實現肩相對軀干的轉動，蝸輪蝸桿結構實現連接板相對于連接器的轉動。

上臂：第二個連接器承載著第二個蝸輪蝸桿，加上肩部的兩個旋轉自由度，合成為實際人體肩部的球面旋轉副；中心處螺旋桿的反螺旋運動實現前臂繞上臂的轉動。齒輪結構增強轉動的穩定性。

前臂：內置電機基座，用于安裝驅動5根手指的電機，上部用電機控制一對減速齒輪實現手腕的轉動。連接器承載著第二個蝸輪蝸桿，加上肩部的兩個旋轉自由度，合成為實際人體肩部的球面旋轉副；中心處螺旋桿的反螺旋運動實現前臂繞上臂的轉動。齒輪結構增強轉動的穩定性。

三、實驗平臺搭建以及結果分析

使用kinect感應器進行動態捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識以及壓力和溫度傳感器采集數據，由PC端分析處理后，由單片機控制相應部位的舵機運轉，從而實現各機構的運動以及智能交互。具有以下功能。

一是雙目視覺的手勢識別，在兩個兩個攝像頭拍攝下，利用雙目立體視覺成像原理，通過兩個攝像機來提取包括三維位置在內的信息進行手勢的綜合分析判斷，建立的是手部的立體運動模型。

二是基于ROS操作系統獲取2個手掌、10個手指、40個關節端點的位置與姿態。它像操作系統一樣提供應用于機器人上的各種功能，包括硬件抽象描述、底層程序管理、共用功能的執行、程序間的消息傳遞、程序發行包管理等。 從而實現軟件的模塊化和硬件的模塊化。

三是基于可見光圖像的人臉識別功能。攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進而對檢測到的人臉進行臉部的一系列人像識別、面部識別。

四、結語

人形機器人擁有仿人形的外表，涉及計算機、電子、自動化、機械等諸多學科，且具有一定的趣味性，是絕佳的創新實驗平臺。本文提出的人形機器人創新實驗平臺設計方案利用3D打印技術“設計即生產”的優點，快速制作機器人的機械結構，具有移植性好的優點。采用本方案研制的3D打印機器人創新實驗平臺目前已應用于本校學科競賽及“嵌入式軟件開發”等課程的綜合實訓中。試用結果表明本方案研制的人形機器人創新實驗平臺激發了學生的創造力與學習熱情，為開展大學生創新實驗提供了有益思路。

該實驗項目隸屬于湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目省級立項課題，并參加第十二屆“挑戰杯”湖南省大學生課外學術科技作品競賽榮獲三等獎。

（通信作者：鄧騫）

參考文獻：

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[3]郭繼周.我國3D打印技術發展現狀及環境分析[J].國防科技，2015（6）.

基金項目：湖南省2016年大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目（項目編號：CX2016B428）；南華大學2016年校級教改課題“工程教育專業認證背景下的‘機電綜合技術訓練教學改革與實踐”。

作者簡介：龔郡（1996— ），江西吉安人，本科在讀，現就讀于南華大學機械工程學院；鄧騫（1986— ），湖南衡陽人，講師，研究生學歷，研究方向：機電一體化技術。