舞蹈機(jī)器人設(shè)計概述*

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)趨向于自動化發(fā)展。舞蹈機(jī)器人作為新時代的產(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，從而解放人類勞動力，同時也代替人類進(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)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化。舞蹈機(jī)器人在日本、韓國、美國、中國等各個國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，中國還處于萌芽階段。就中國而言，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)在娛樂舞臺上時，必將使娛樂方式更，加時代化、多元化，使娛樂內(nèi)容更加豐富多彩。

1 設(shè)計思路

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

2 動力系統(tǒng)設(shè)計

舞蹈機(jī)器人的動力系統(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肢體所要表達(dá)的動作幅度來卻定具體所要選用的動力組成件。

主要動力系統(tǒng)可分為頭部、各彎曲關(guān)節(jié)部位和供其移動的底座三大動力系統(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°可實現(xiàn)任意角度運(yùn)動。各關(guān)節(jié)部位可有伺服電機(jī)提供動力，因為伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，其轉(zhuǎn)動角度如圖3所示。為了確保頭部能夠具有旋轉(zhuǎn)扭動功能本設(shè)計采用電壓較小的直流電動馬達(dá)來為其提供動力，供電方式為間斷性瞬間供電以確?？梢詫崿F(xiàn)微小扭頭及擺頭動作[2]。

圖3 伺服電機(jī)脈沖角度

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)主要分為直流馬達(dá)傳動、伺服電機(jī)傳動和舵機(jī)傳動，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，以帶動頭部的旋轉(zhuǎn)及擺頭動作來達(dá)到頭部運(yùn)動的效果，如圖4所示。

舞蹈機(jī)器人的各個活動關(guān)節(jié)主要通過伺服電機(jī)帶動傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，伺服電機(jī)裝置在舞蹈機(jī)器人的身體內(nèi)部傳動距離較長，各動力需要傳輸?shù)讲煌牟课?，伺服電機(jī)的脈沖電流輸出穩(wěn)定的動力通過聯(lián)軸器與V帶傳動相連，V帶的另一端利用減速器的齒輪嚙合作用以小齒輪帶動大齒輪達(dá)到減速的目的，最后通過聯(lián)軸器把動力傳輸?shù)轿璧笝C(jī)器人的活動關(guān)節(jié)，電動機(jī)傳動結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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

圖4 動力控制圖

圖5 電機(jī)傳動系統(tǒng)

4 肢體表達(dá)設(shè)計

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、腳部等多個可活動關(guān)節(jié)來模仿人類的舞蹈動作，各關(guān)節(jié)控制如圖4所示。頭部用直流馬達(dá)控制具有一個自由度一用來完成頭部的左右轉(zhuǎn)動；上身軀干一共具有六個自由度，全部由各個部位的伺服電機(jī)來驅(qū)動，分別為左右肩部兩個自由度，用來完成肩部手臂的揮動，左右肘部兩個自由度，用來完成小手臂的轉(zhuǎn)動，剩下兩個自由度為左右手腕的轉(zhuǎn)動，可以很好地模仿舞蹈過程中的甩手動作；腰部由伺服電機(jī)驅(qū)動，具有一個自由度以實現(xiàn)腰部的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)舞蹈過程中的扭腰動作；下身軀干一共具有六個自由度，分別為腿部兩個自由度來完成抬腿動作，膝部兩個自由度來完成下蹲動作，腳部兩個自由度來完成自由行走，其中腳步兩個自由度由舵機(jī)驅(qū)動另外四個自由度由伺服電機(jī)驅(qū)動。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)行建模繪制出實際尺寸的外殼3D模型，再由3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最后對各個軀干零部件進(jìn)行組裝，將齒輪和各驅(qū)動件進(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；傳動系統(tǒng)采用直接傳動、齒輪傳動、帶輪傳動等多種傳動方式相結(jié)合；肢體表達(dá)設(shè)計采用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)，不能將舞蹈動作完整的做出。本舞蹈機(jī)器人采用分級驅(qū)動與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。經(jīng)過計算與調(diào)整來確定各個部位所需的扭矩及應(yīng)力，選用不同的驅(qū)動件經(jīng)行驅(qū)動，確保舞蹈機(jī)器人的活動。市面上采用多級傳動分區(qū)驅(qū)動的舞蹈機(jī)器人，大部分機(jī)器人都是直接進(jìn)行傳動且提供動力系統(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。