摘 要：隨著國(guó)外3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展以及取得的成功，國(guó)內(nèi)關(guān)于3D打印技術(shù)的研究也開(kāi)始逐漸發(fā)展，3D打印技術(shù)甚至開(kāi)始被應(yīng)用于機(jī)器人的創(chuàng)新研究，本文主要對(duì)雙足機(jī)器人和3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并嘗試建立基于3D打印技術(shù)的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；雙足機(jī)器人；創(chuàng)新研究

3D打印是在普通打印機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用統(tǒng)一工作原理，旨在將平面打印技術(shù)發(fā)展到立體平面，實(shí)現(xiàn)一維到多維的技術(shù)轉(zhuǎn)變，3D打印以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用電腦相關(guān)技術(shù)，將打印機(jī)與電腦連接，通過(guò)電腦控制可以將打印材料進(jìn)行逐層打印，最終可以把計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)圖變成實(shí)物，這一技術(shù)具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單易懂，是一種具有極大潛力、能夠在多個(gè)方面產(chǎn)生作用、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的高科技。

一、3D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末，美國(guó)的一位科學(xué)家最早發(fā)明了一臺(tái)專門(mén)用于商業(yè)行為的3D打印機(jī)，這引起了人們的關(guān)注，之后美國(guó)ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得授權(quán)開(kāi)始進(jìn)行3D打印機(jī)的開(kāi)發(fā)。早期就有科研團(tuán)隊(duì)利用3D打印機(jī)制成汽車(chē)，之后這一技術(shù)逐漸被用于多個(gè)產(chǎn)業(yè)。早期經(jīng)常被用于模具的制造、工業(yè)設(shè)計(jì)以及某些專業(yè)零件的制作，但這種技術(shù)與一般的打印技術(shù)相比，層次更高，技術(shù)水平要求也更高，該技術(shù)具體操作過(guò)程中采用的材料、操作步驟也比普通打印要復(fù)雜得多。之所以通俗地稱其為“打印機(jī)”是因?yàn)?D打印參照了普通打印機(jī)的技術(shù)原理，因此才將其稱為3D層面的打印技術(shù)，這種技術(shù)一般通過(guò)數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。

隨著國(guó)外3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展以及取得的成功，國(guó)內(nèi)關(guān)于3D打印技術(shù)的研究也開(kāi)始逐漸發(fā)展，這一技術(shù)最開(kāi)始引起了不少企業(yè)和高校的關(guān)注，杭州、深圳、武漢、北京地區(qū)分布著一些大力致力于3D打印技術(shù)研究并且已經(jīng)取得一些進(jìn)展的企業(yè)，其中北京地區(qū)的隆源等企業(yè)已經(jīng)上市。但我國(guó)3D打印技術(shù)與國(guó)外發(fā)展水平相比還相去甚遠(yuǎn)，大部分企業(yè)進(jìn)行這方面的技術(shù)研究時(shí)，都是代理國(guó)外先進(jìn)的3D打印設(shè)備，缺乏先進(jìn)的、獨(dú)立研發(fā)的打印技術(shù)，有些企業(yè)甚至都放棄了這一技術(shù)的研究，一味依靠國(guó)外技術(shù)的發(fā)展，缺乏獨(dú)立思考進(jìn)行探索的勇氣和探索力，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因除了缺少獨(dú)自思考的習(xí)慣，還包括科研資金短缺的問(wèn)題，關(guān)于高校研究方面，清華大學(xué)，華中科技大學(xué)，西安交通大學(xué)，北京航空航天大學(xué)等同樣采取從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的方式進(jìn)行進(jìn)一步研究最終建立一個(gè)3D打印研究平臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，相對(duì)而言取得了較好的成績(jī)，這些高校的研究結(jié)果也在我國(guó)產(chǎn)業(yè)各方面得到了應(yīng)用。

二、仿人機(jī)器人研究現(xiàn)狀

仿人機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，其研究大概開(kāi)始于本世紀(jì)的60年代末，雖然發(fā)展時(shí)間較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，而雙足機(jī)器人是仿人機(jī)器人研究的重要基礎(chǔ)。雙足機(jī)器人是模仿人類(lèi)移動(dòng)方式，進(jìn)行高度自動(dòng)化的一種先進(jìn)的高科技機(jī)器人。美國(guó)是最早進(jìn)行機(jī)器人研究的國(guó)家，日本雖然起步較慢，但其研究者巧妙的將半導(dǎo)體機(jī)械技術(shù)結(jié)合，使得日本機(jī)器人發(fā)達(dá)程度超過(guò)了美國(guó)，目前仍居于世界第一。當(dāng)今發(fā)達(dá)社會(huì)，80%的機(jī)器人是日本制造的，目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今仿人機(jī)器人已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。我國(guó)仿人機(jī)器人主要在包括國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等在內(nèi)的高校進(jìn)行，它們致力于研制仿人機(jī)器人樣機(jī)。

三、基于3D打印技術(shù)的仿真機(jī)器人

目前關(guān)于雙足機(jī)器人的研究主要包括以下幾個(gè)方面：雙足機(jī)器人步行仿真研究、雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，仿人機(jī)器人中最難以解決的問(wèn)題在于模擬人類(lèi)雙足步行系統(tǒng)的建立和后續(xù)的穩(wěn)定性研究，該過(guò)程一般通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件和MATLAB來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于3D打印機(jī)進(jìn)行的機(jī)器人研究處于我國(guó)目前的機(jī)器人研究的試驗(yàn)和探索階段，這是一種全新的技術(shù)方法的采用，有學(xué)者針對(duì)3D打印機(jī)的性能特點(diǎn)，提出了一種基于3D打印技術(shù)建立的并聯(lián)機(jī)器人方案，經(jīng)進(jìn)一步可行性分析，結(jié)果表明：以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為核心結(jié)構(gòu)的機(jī)器人具有很好的運(yùn)動(dòng)以及動(dòng)力學(xué)性能，可以作為3D打印技術(shù)中相關(guān)行業(yè)的工具加以應(yīng)用。本文在此研究基礎(chǔ)上，基于3D打印技術(shù)，嘗試建立雙足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探索3D打印技術(shù)的高科技應(yīng)用。

仿人機(jī)器人即“模仿人類(lèi)行為進(jìn)行正常指定活動(dòng)的高性能機(jī)器人”，這種機(jī)器人正是在人體研究的基礎(chǔ)上經(jīng)專業(yè)研究人員發(fā)展和構(gòu)建起來(lái)的，仿人機(jī)器人的性能和形體結(jié)構(gòu)的研究都是在人體研究基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，而正因?yàn)槿说臉?gòu)造是長(zhǎng)期自然發(fā)展而形成的，所以具有最優(yōu)性，如能量最優(yōu)，關(guān)節(jié)配置最優(yōu)等。為了使所設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人更能貼近于人，最終所要設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人整體身高大約為1.2米，在參考國(guó)內(nèi)外仿人機(jī)器人的研究基礎(chǔ)上，本文研究認(rèn)為，雙足機(jī)器人至少需要12個(gè)自由度才能滿足要求，即髖關(guān)節(jié)3個(gè)、膝關(guān)節(jié)1個(gè)、踝關(guān)節(jié)2個(gè)，為了之后的大批量生產(chǎn)，除了必要的零件和電機(jī)外，其余零件均利用3D打印技術(shù)來(lái)完成。

采用Maxon電機(jī)為機(jī)器人提供動(dòng)力，并選用基于倒立擺的步態(tài)規(guī)劃方法對(duì)雙足機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，步態(tài)規(guī)劃需要收集地面相關(guān)信息，建立物理方程，這里就不再贅述，之后，為進(jìn)一步確保機(jī)器人可操作性和靈活性，采用ZMP穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則分析機(jī)器人行走時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，最后利用ADAMS軟件快速方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，然后在幾何模型上施加力、力矩和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，評(píng)估機(jī)器人設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性技術(shù)構(gòu)建的可行性，執(zhí)行一組與實(shí)際狀況十分接近的仿真測(cè)試，分析機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況。如果結(jié)果可行，證明研究成功，如果數(shù)據(jù)顯示有問(wèn)題，則需觀察相關(guān)數(shù)據(jù)，確定出現(xiàn)問(wèn)題的步驟，重新進(jìn)行研究和分析。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著國(guó)外3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，基于3D打印技術(shù)的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)將繼續(xù)發(fā)展下去，這一技術(shù)將給機(jī)器人研究領(lǐng)域帶來(lái)新的革命。

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作者簡(jiǎn)介：

支鐵山（1991.1.10—），男，甘肅張掖人，學(xué)士，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：3D打印機(jī)器人方向。endprint