仿人機(jī)器人頸部結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化仿真

向鎬， 何苗， 潘永康

（重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，人類的物質(zhì)生活水平得到了提高，仿人機(jī)器人在旅游、景區(qū)向?qū)А⑸虉觥㈦娪霸骸⒅黝}公園等商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。現(xiàn)如今服務(wù)機(jī)器人已廣泛使用，但在情感表達(dá)上過于單一，例如：哈工大機(jī)器人集團(tuán)所研制的餐飲服務(wù)機(jī)器人“小智”，此款機(jī)器人具有重力感應(yīng)、自動避障、語音互動等功能，但缺點(diǎn)是在面部情感表達(dá)中僅僅用電子屏幕顯示簡單的表情，而且在機(jī)構(gòu)上過于單一，沒能將機(jī)構(gòu)與智能相結(jié)合，難以達(dá)到形象化情感表達(dá)。提高機(jī)器人與人的外形相似度并且提升人機(jī)交互的自然度一直以來都是仿人機(jī)器人研究的重點(diǎn)。目前國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都取得了顯著的成果。例如：盧孔筆等[1]設(shè)計了一款具有22個自由度、6種面部表情的仿人機(jī)器人；嚴(yán)緒東等[2]設(shè)計了仿人機(jī)器人頭部，具有12個自由度，能模仿簡單的表情。

現(xiàn)階段的服務(wù)表演機(jī)器人的外形設(shè)計擬人化，主要針對頭部、頸部、胳膊、軀體和底部行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。胳膊包括小臂、大臂和手掌，其中大臂和小臂可以自由擺動，從而使得機(jī)器人能夠完成手臂揮舞等動作。底部行走機(jī)構(gòu)能夠讓機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等功能，從而使得機(jī)器人具有行走的功能。

然而受限于產(chǎn)品成本和技術(shù)成熟度，目前的商用仿人機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上都相對簡單，能實現(xiàn)的面部表情及肢體語言不夠豐富且相互之間協(xié)調(diào)性較差，進(jìn)而導(dǎo)致人機(jī)交互的用戶體驗不佳。因此在保證成本可控的前提下，羅慶生[3]提出采用穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)來提升仿人機(jī)器人的人機(jī)交互效果具有十分重要的意義。本文針對一款面向文旅行業(yè)應(yīng)用的仿人機(jī)器人，根據(jù)人體頸部運(yùn)動特點(diǎn)，基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計了一款簡單可靠的仿人機(jī)器人頸部機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了常用的人機(jī)交互動作，提高了仿人機(jī)器人的人機(jī)互動效果。

目前機(jī)器人頭部自身質(zhì)量過重、機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，針對這一問題，對頸部機(jī)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[4]，根據(jù)實際設(shè)置條件和載荷，對機(jī)器人頸部進(jìn)行合理優(yōu)化，從而實現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。

1 機(jī)器人頸部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 人體頸部運(yùn)動特征分析

人體的頸部構(gòu)造呈現(xiàn)不規(guī)則圓柱體，有自上而下漸粗的特征。人體頸部的運(yùn)動方式通常是依據(jù)脊椎的運(yùn)動特點(diǎn)，包括前屈、后仰、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)模式[5]。人體頭部的復(fù)雜動作基于這幾種運(yùn)動模式展開的，頸部帶動頭部運(yùn)動。人體頭部具有6個自由度，且具有較大的隨機(jī)性，其運(yùn)動軌跡位于六維空間[6]中，但考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)頸部結(jié)構(gòu)的可靠性和實用性，需要將頭部和頸部進(jìn)行簡化，從基本的頭骨架構(gòu)件到人體頭部的各個部分，將其劃分為眼皮、下顎、頭部轉(zhuǎn)動和頭部俯仰運(yùn)動這幾個板塊。由于人體頸部的運(yùn)動特征較為復(fù)雜，則將頸椎運(yùn)動可近似前屈45°、后屈45°、左右旋轉(zhuǎn)60°。參考人體頸部的運(yùn)動范圍[7]，我們將設(shè)計一款能帶動機(jī)器人頭部點(diǎn)頭范圍在45°左右、左右搖頭60°的頸部機(jī)構(gòu)。以上的頭部運(yùn)動基本可以滿足迎賓表演相關(guān)場合的要求。

1.2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計

表演機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)由人造頭殼、頭殼固定架、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和整體機(jī)架等部分組成，如圖1（c）所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能有眼皮機(jī)構(gòu)、頸部機(jī)構(gòu)。其中人造頭殼與頭殼固定架連接。根據(jù)要求對機(jī)器人頭部發(fā)出指令，通過舵機(jī)控制機(jī)器人各個結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，最后實現(xiàn)所需的動作。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

頸部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由頭殼固定架、連桿、整體機(jī)架、滾珠軸承等部分組成。

圖2 機(jī)器人頸部結(jié)構(gòu)

頭部俯仰機(jī)構(gòu)主要由舵機(jī)、連桿組成，根據(jù)文獻(xiàn)[8]對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的描述，我們采用此機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)頸部運(yùn)動需求。如圖2所示，頸部機(jī)構(gòu)工作原理為：由整體機(jī)架和連桿組成，以頭殼固定架平面和整體機(jī)架地面相互平行作為初始位置，垂直頭殼固定架平面為y軸，垂直整體機(jī)架右邊平面為x軸，舵機(jī)輸出軸上安裝轉(zhuǎn)盤，能360°旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，給連桿施加拉力，使得A點(diǎn)與B點(diǎn)之間產(chǎn)生力矩，帶動舵機(jī)一起擺，從而使得機(jī)器人頭部在一定范圍內(nèi)擺動，完成點(diǎn)頭動作。為滿足頭部的搖頭動作，設(shè)計有舵機(jī)和圓平臺，頭部搖頭動作具有1個自由度，舵機(jī)與圓平臺連接，驅(qū)動圓平臺轉(zhuǎn)動，圓平臺與整體機(jī)架連接帶動整個頸部及以上的機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓其帶動整個頭部轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)頭部搖頭動作。由圖2確定關(guān)鍵尺寸，頸部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸如表1所示。

表1 頸部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸

2 頸部結(jié)構(gòu)分析與計算

2.1 運(yùn)動分析

由頸部機(jī)構(gòu)設(shè)計可知，點(diǎn)頭動作為本機(jī)器人頸部設(shè)計的主要內(nèi)容，當(dāng)舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動時會通過連桿給整體機(jī)架一個拉力，因此使得頭部轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的過程中可能會出現(xiàn)頂死現(xiàn)象或不滿足旋轉(zhuǎn)角度。要保證機(jī)器人點(diǎn)頭角度正常擬人化，各點(diǎn)之間的長度設(shè)計極為重要。以下是在確定的長度下轉(zhuǎn)動過程中對從動件的運(yùn)動角度進(jìn)行參數(shù)化建模與分析。

頸部驅(qū)動的作用是驅(qū)動頭部的運(yùn)動實現(xiàn)俯仰動作，根據(jù)運(yùn)動的特點(diǎn)，采用的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 頸部實現(xiàn)機(jī)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)將具有剛度的連桿作為整體機(jī)架和舵機(jī)的傳力裝置。力F經(jīng)過連桿驅(qū)動頭殼固定架與舵機(jī)運(yùn)動。由此機(jī)器人頭部會在舵機(jī)的驅(qū)動下擺動。

機(jī)構(gòu)原理簡圖如圖4所示，根據(jù)連桿對應(yīng)角及長度關(guān)系列出下列等式[7]，其中a=BO=107.5 mm，b=AO=10.5 mm，c=AC=76 mm，d=BC=45 mm。

圖4 機(jī)構(gòu)原理簡圖

根據(jù)式（3）、式（5）可得，在舵機(jī)旋轉(zhuǎn)360°時，從動桿件可轉(zhuǎn)動35°左右。在正常情況下，人類最大點(diǎn)頭是在30°～45°之間，即可對外表示動作寓意；此機(jī)構(gòu)的各個桿件長度滿足實驗要求。以上計算數(shù)據(jù)給機(jī)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)即可確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各個轉(zhuǎn)動副相對位置，從而設(shè)計出相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人能夠更加形象、更加柔順地做出點(diǎn)頭動作。

2.2 受力分析

由機(jī)構(gòu)設(shè)計可知，點(diǎn)頭動作為本機(jī)器人頸部設(shè)計的主要分析對象，當(dāng)舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動時，連桿與固定基座連接處會產(chǎn)生不可避免的力矩和轉(zhuǎn)矩，在圖5所示轉(zhuǎn)動過程中，連桿作用于連接件右表面，然后再作用于固定點(diǎn)，最后作用于連接件本身，造成旋轉(zhuǎn)軸斷裂，器件損壞。在做俯仰動作時旋轉(zhuǎn)軸會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸破裂。既要保證機(jī)器人點(diǎn)頭順利，且要防止力矩和轉(zhuǎn)矩?fù)p壞器件，因此對器件的連接方式和截面設(shè)計極為重要。以下將從在剛開始轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生最大力矩進(jìn)行參數(shù)化建模與分析。

圖5 受力分析零件

2.2.1 連接件力矩分析

選用傳動軸材料為20鋼，軸端1長度為9 mm，圓截面半徑為2.5 mm，軸端2長度為3 mm，圓截面半徑為6.5 mm。該材料在100 ℃下的許用應(yīng)力為130 MPa。為方便計算，將總長視為圓截面半徑為2.5 mm的一個圓軸。根據(jù)圖5（b）所示，畫出受力簡圖，如圖6所示。

圖6 受力簡圖

由式（6）、式（7）可得滿足強(qiáng)度約束條件為

舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤如圖7所示，連桿安裝在舵機(jī)的轉(zhuǎn)盤上，舵機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為2.4 N·m，轉(zhuǎn)盤邊緣產(chǎn)生一拉力為160 N，根據(jù)受力平衡，F(xiàn)=F1。因為F1=160 N<177.17 N，滿足抗彎強(qiáng)度校核。

圖7 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤

2.2.2 連接件轉(zhuǎn)矩分析

此連接件軸是采用階梯圓軸，由文獻(xiàn)[9]可知，階梯圓軸在扭轉(zhuǎn)時，桿內(nèi)各點(diǎn)都處于純剪切力狀態(tài)。在轉(zhuǎn)動過程中，為防止強(qiáng)度不夠被破壞，故需每一軸段的最大切應(yīng)力τmax不得超過該軸的許用切應(yīng)力［τ］，則圓軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

式中：θmaxi、Ti、IPi分別為每軸段的最大單位長度扭轉(zhuǎn)角、每軸段轉(zhuǎn)矩、每軸段的極慣性矩。

根據(jù)機(jī)構(gòu)要求，材料選用20鋼，軸端1傳遞最大轉(zhuǎn)矩為2.125 N·m，軸端2傳遞最大轉(zhuǎn)矩為5.525 N·m，軸的許用剪切應(yīng)力［τ］=253 MPa，許用扭轉(zhuǎn)角［φ］=2.5（°）/m，材料切變模量G=80 MPa。

軸段一強(qiáng)度校核:

3 機(jī)構(gòu)仿真

3.1 運(yùn)動仿真

為了更加直觀地反映頸部結(jié)構(gòu)運(yùn)動特性，在Solid-Works軟件中進(jìn)行運(yùn)動仿真。首先在SolidWorks 添加運(yùn)動算例，并添加相應(yīng)的馬達(dá)。機(jī)構(gòu)處于初始位置如圖8所示。給予馬達(dá)轉(zhuǎn)速340 m/s模擬舵機(jī)在轉(zhuǎn)動時的速度，根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)原理，旋轉(zhuǎn)1圈，使得頭部擺動，實現(xiàn)頭部俯仰過程如圖9所示。

圖8 初始位置

圖9 運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.2 受力仿真

根據(jù)靜力學(xué)原理，舵機(jī)啟動時，會對連接件產(chǎn)生力矩，在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。

以舵機(jī)轉(zhuǎn)盤為原動件，在舵機(jī)剛開始啟動時，對連桿產(chǎn)生最大拉力，從而對連接件產(chǎn)生力矩，旋轉(zhuǎn)軸所受的最大力矩主要分布在球鉸左端處，力矩則會對材料產(chǎn)生屈服應(yīng)力，故給予模型連桿一個拉力，在SolidWorks中打開模型，對主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，用simulation給予零件材料類型20鋼，再給連桿施加一個850 N的拉力，力矩仿真結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)軸能承受的轉(zhuǎn)矩為5.525 N·m。

由圖10（a）所示的仿真結(jié)果可知，在舵機(jī)剛開始啟動時，對連桿產(chǎn)生最大拉力，從而對連接件產(chǎn)生力矩，旋轉(zhuǎn)軸所受的最大力矩主要分布在球鉸左端處，力矩則會對材料產(chǎn)生屈服應(yīng)力，最大屈服應(yīng)力為2.59×108N/m2。由圖10（b）仿真結(jié)果可知，旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的屈服力主要集中在左端處，最大屈服力值為1.647×108N/m2。

圖10 受力分析結(jié)果

由圖10可知，開始啟動舵機(jī)時，會對連桿產(chǎn)生一個拉力，連接件的旋轉(zhuǎn)軸主要受力點(diǎn)在左端，而向右端擴(kuò)散；在旋轉(zhuǎn)過程中，連接件的旋轉(zhuǎn)軸受力點(diǎn)主要在左端，且兩種情況下，旋轉(zhuǎn)軸所受的最大屈服力均小于20鋼的屈服極限，滿足強(qiáng)度與剛度要求。

4 優(yōu)化分析

在機(jī)器人點(diǎn)頭過程中，整體機(jī)架承載了大部分的重力，所以對機(jī)架加工要求和成本比較高，為解決這一問題，我們基于SolidWorks軟件對機(jī)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。對整體機(jī)架所受的載荷和約束按設(shè)計要求作用于部件上[10］，則本設(shè)計采用最大重力作為約束條件，對其進(jìn)行優(yōu)化。

對機(jī)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，機(jī)架主要功能是承載頭部所有重力，本身也具有質(zhì)量。根據(jù)需求，在Solid-Works響應(yīng)約束中設(shè)置材料保留70%質(zhì)量[4]。機(jī)架原部件和拓?fù)鋬?yōu)化如圖11和圖12所示。

從圖12中可看出，拓?fù)鋬?yōu)化后去除了無用區(qū)域，整體質(zhì)量從0.128 kg減少到0.089 kg，實際保留了69%。

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新建立模型，保留結(jié)構(gòu)密度較大部分，使結(jié)構(gòu)具備原有部件性能。新建模型如圖13所示。

分別對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，優(yōu)化前后受力分析結(jié)果如圖14和圖15所示。

由圖14與圖15受力仿真分析可知，機(jī)架優(yōu)化前的最大屈服應(yīng)力2.575×107Pa，優(yōu)化后同樣為2.575×107Pa，機(jī)架選用鋁合金1060材料，其最大屈服強(qiáng)度為2.757×107Pa，能較好地滿足材料強(qiáng)度。

圖12 機(jī)架拓?fù)鋱D

圖13 機(jī)架優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型

圖14 原機(jī)架受力仿真

5 結(jié)語

本文參考人體頭部運(yùn)動特點(diǎn)，總結(jié)出在不同場合下人體頭部的運(yùn)動狀態(tài)，從而制定了機(jī)器人頭部設(shè)計方案。針對現(xiàn)有服務(wù)機(jī)器人的一些不足和缺點(diǎn)，利用SolidWorks軟件設(shè)計出以簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜動作的機(jī)構(gòu)模型，針對主體機(jī)構(gòu)中所存在的強(qiáng)度問題進(jìn)行理論分析，再將其分析結(jié)果輸入SolidWorks中進(jìn)行受力運(yùn)動仿真，該機(jī)構(gòu)設(shè)計合理。在此基礎(chǔ)上，利用SolidWorks對一些加工困難且制造要求高的部件進(jìn)行了拓?fù)浞治觥?yōu)化后的模型進(jìn)行重建，分別對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，在保證原結(jié)構(gòu)性能的前提下，達(dá)到對機(jī)器人頸部輕量化和減少成本的目的。

圖15 機(jī)架優(yōu)化后受力仿真