本次設(shè)計以山東大學(xué)和齊魯醫(yī)院的合作命題“迎賓機器人設(shè)計”為依托，力圖對現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品形態(tài)進行改良。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用無紙化的作業(yè)方式，利用三維實體軟件Pro/E進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用ADAMS軟件進行運動學(xué)分析和仿真，并對機器人結(jié)構(gòu)及運動特性進行優(yōu)化。在外觀設(shè)計方面，利用Rhinoceros三維設(shè)計軟件對設(shè)計進行三維表現(xiàn)，并結(jié)合Flash技術(shù)對設(shè)計進行動態(tài)效果展示。在這個過程中裝配圖和零件圖相互關(guān)聯(lián)，由粗略到反復(fù)細化、符合裝配圖和相關(guān)零件圖一致性的要求，大大優(yōu)化了設(shè)計過程。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械臂的創(chuàng)新設(shè)計是本次研究的重點。設(shè)計方案應(yīng)能滿足5個自由度的要求，同時結(jié)構(gòu)盡量簡單、成本低、重量輕。因此，在機械臂的設(shè)計中創(chuàng)新性地采用了錐齒輪結(jié)構(gòu)，并采用電磁離合制動器來進行相關(guān)的控制，該種形式的機械臂具有結(jié)構(gòu)簡單、輕盈、易于控制等特點，整個機械臂驅(qū)動只需一個電機，關(guān)節(jié)處需要的動力均從傳動鏈上通過電磁離合制動器獲得。整體結(jié)構(gòu)簡單、輕盈。

在此基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了機械臂的整體結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵部分為電磁離合制動裝置和錐齒輪結(jié)構(gòu)的運用。如圖1所示。

與傳統(tǒng)機械臂相比，電磁離合制動器的使用，使得錐齒輪的驅(qū)動作用在機械臂上產(chǎn)生多樣的運動效果，而鋼絲傳動鏈保證了動力傳動到機械臂的各個運動部位。

當(dāng)電磁離合制動器處于不同擋位的時候，配合錐齒輪對動力傳遞方向的改變，能夠驅(qū)動產(chǎn)生不同的運動效果。如圖1中A制動器，兩個擋位使臂部關(guān)節(jié)可以在兩個垂直維度上進行運動，從而產(chǎn)生兩個自由度；肘部B制動器擋位的改變可以驅(qū)動肘部產(chǎn)生一個自由度的運動；腕部錐齒輪和C、D兩個制動器的組合，使腕部帶動手部產(chǎn)生了2個維度上的運動，分別是手腕的上揚和手部的旋轉(zhuǎn)。由此可見，機械手臂共實現(xiàn)5個自由度，由此便實現(xiàn)了機械臂用單一電機驅(qū)動5個自由度的設(shè)計。與傳統(tǒng)的每個自由度單獨設(shè)立電機驅(qū)動的方法相比整體重量更輕便，結(jié)構(gòu)更簡單，并增強了機械臂運動的靈活性。

外觀設(shè)計

外觀設(shè)計主要是考慮機器人外觀的擬人化和服務(wù)方式人性化方面考慮。視圖改善機器人及金屬材質(zhì)帶給人的冰冷無情的特征。確立了機器人的設(shè)計方向后，用以下五種設(shè)計原則指導(dǎo)機器人的設(shè)計：（1）功能需求原則；（2）人機工學(xué)原則；（3）審美規(guī)律原則；（4）品牌一致性原則；（5）情感需求原則。最終方案如圖2所示。

機器人設(shè)計高度為160 cm，與中國成年女性平均身高（159 cm，2011國家統(tǒng)計局公布數(shù)字）接近，這樣既可以滿足一定的高度要求，又不至于因太過高大產(chǎn)生壓迫感?？紤]到其功能用途和用戶的情感接受程度，應(yīng)當(dāng)盡量減少機器人給用戶帶來的陌生感，所以在最后的方案中，外觀多用曲面造型，并為機器人賦予了女性的性別特征，這在視覺和情感兩方面為用戶形成機器人平易近人的使用體驗。在顏色上，采用紅白搭配，有意模仿迎賓服裝；此外造型上，頭部兩側(cè)的突起是亮點之一，創(chuàng)新自中國古代的“雙丫髻”和“卯發(fā)”發(fā)式，這類發(fā)式多用于宮廷侍女當(dāng)中，與迎賓功能相契合，同時，“發(fā)髻”還是兩個指示燈，用于夜間指示性照明。

結(jié)論

本案例在設(shè)計中采用了全新的設(shè)計思維和設(shè)計方法，設(shè)計融入了綠色設(shè)計思想。將構(gòu)件的數(shù)量和重量均下降到了一個較低的層次；采用了新結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提高迎賓動作執(zhí)行效率，降低能源的消耗；具有便于維護和保養(yǎng)的結(jié)構(gòu)。研發(fā)過程采用無紙化作業(yè)，充分利用現(xiàn)有機械設(shè)計、分析軟件之間的接口技術(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度。在造型中突破了以往機器人追求科技感的造型特點，力圖用更加生活化的設(shè)計語言來詮釋這一高科技產(chǎn)品，從而消除陌生感，增強人性化，為將來的機器人造型設(shè)計提供了一種值得參考的思路。