十自由度體操機器人設計*

高麗金，陳慧敏，金琦淳，戴水連，劉 倩，胡 洋

（無錫城市職業技術學院機電工程學院，江蘇 無錫 214153）

隨著科技的發展，機器人技術日新月異，機器人也逐漸走入人們的生活中，為生活增添色彩[1]。體操機器人是眾多智能機器人中的一種，它屬于仿人型競技機器人，主要參考人體的身體結構進行結構設計，再將編好的程序寫入控制系統后，能夠模仿體操運動員完成體操動作[2-4]。體操機器人動作的協調性除了與控制系統有關，更與機器人本體的機械結構相關，因此對體操機器人機械結構的設計研究成為了仿人型競技機器人領域的熱點[5-6]。

1 體操機器人的技術要求

1.1 場地要求

體操機器人運動場地是使用亞光聚氯乙烯（PolyVinyl Chloride，PVC）材質制作的賽道，機器人要在賽道規定的區域內完成表演。將體操機器人放置在一個直徑為2 000 mm的圓形場地內，在圓形場地的中心點上，有一個直徑為250 mm的同心圓作為機器人的起始區域。體操機器人在直徑為2 000 mm的圓形場地內，完成整套體操表演。圖1為場地示意圖。

圖1 場地示意圖

1.2 動作要求

體操機器人的動作要求包括準備動作部分、正式動作部分、結束動作部分以及創新動作部分等內容。圖2為機器人的完整動作分解示意圖。

圖2 體操機器人的完整動作分解示意圖

2 體操機器人的方案設計

體操機器人主要包括下肢體、腰部、上肢體及頭部的設計，為實現體操機器人的動作要求，選擇10個自由度來滿足體操機器人的技術要求。下肢體對稱布置2個自由度，構成機器人的膝關節和髖關節；腰部布置2個自由度，構成機器人的胸部和腹部；上肢體對稱布置2個自由度，構成機器人的肩部和肘部。各部位關節的自由度方向設置與人體的主要運動關節相一致，圖3為體操機器人的結構方案圖。

圖3 體操機器人的結構方案圖

體操機器人十自由度的分配，能夠滿足體操機器人的動作要求和創新自編動作需求，體操機器人的機械結構特征見表1。

表1 體操機器人的機械結構特征

3 體操機器人的機械結構設計

3.1 下肢體機械結構設計

體操機器人下肢體的膝部關節和髖部關節采用2個舵機配合U形支架呈十字形連接實現，見圖4。舵機的實（輸出）軸與實舵盤通過內外花鍵固定連接，從而傳遞扭矩動力，虛軸與虛舵盤空套連接，將螺釘穿過U形支架兩端的通孔后，與舵盤上的螺紋孔連接固定即可完成裝配。膝部關節與腳掌通過沉頭螺釘固定，寬大的腳掌可保證機器人動作的穩定性。髖部關節與胯部件連接固定，胯部件上下承載著機器人的腰部與下肢體。

圖4 體操機器人下肢體機械結構

3.2 腰部機械結構設計

腰部的胸部關節和腹部關節見圖5。2個腰部舵機的輸出軸分別在腰的上下兩側，胸部關節與頸部件連接，腹部關節與胯部件連接，頸部件左右兩側裝配有上肢體。

圖5 體操機器人腰部機械結構

3.3 上肢體機械結構設計

上肢體的肩部關節和肘部關節見圖6。肘部關節與手掌通過螺釘連接固定，并且肩部關節與頸部件連接。

圖6 體操機器人上肢體機械結構

3.4 十自由度體操機器人的機械結構設計

根據以上設計思路所設計的十自由度體操機器人的機械結構見第114頁圖7。整個體操機器人上肢展開后，長度為250 mm，寬度為150 mm，高度為350 mm，質量約為2.5 kg。

圖7 十自由度體操機器人的機械結構

4 結束語

本文詳細論述了一種十自由度體操機器人的機械結構設計，參照人體主要運動關節的分布特點，合理設計了10個運動關節，在每個關節處設置了舵機，驅動關節轉動。當該機器人工作時，通過各關節協同配合，提高了動作的穩定性，增強了運動的美感。