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(哈爾濱石油學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

研究與設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)器人設(shè)計(jì)

王妍瑋，李佳輝，蔣銀紅，馬平，范驍，唐偉

(哈爾濱石油學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

設(shè)計(jì)了一款 3D打印雙足機(jī)器人，打印的零件造價低、來源廣、容易加工。

3D打??；機(jī)器人；設(shè)計(jì)

Abstract：A biped robot designed by 3D printing and the components of the robot feature a low cost，a wide source and easy manufacturing.

Keywords：3D printing；robot；design

設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)器人是在金屬雕刻機(jī)加工機(jī)器人的基礎(chǔ)上研發(fā)的，其采用PLA作為打印的基礎(chǔ)材料，采用打印材料制作機(jī)器人具有造價低、材料來源廣、容易加工等優(yōu)勢。

在分析國內(nèi)外雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、功能特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合對人體腿部關(guān)節(jié)及肌肉運(yùn)動的生理分析，我國楊亮等研究了利用3D打印技術(shù)制作機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺[1-3]；國外的Andrew Rictor、Javeed Shaikh Mohammed、Yusuke OGAWA等也對3D打印機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[4-6]。課題在原3D打印機(jī)器人基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改變其結(jié)構(gòu)，在保證其強(qiáng)度的同時盡量使其質(zhì)量更輕，然后再對其進(jìn)行控制和編程，以完成機(jī)器人的動作調(diào)整。

1 設(shè)計(jì)描述

要求3D打印雙足機(jī)器人的軀干及上肢質(zhì)量輕，以確保其重心低，同時還要保證加工的機(jī)器人連接件具有一定的強(qiáng)度，以保證其具有動力學(xué)性能。3D打印機(jī)器人的支撐面積小，支撐面的形狀隨時間的變化大，質(zhì)心相對位置高，靈活性較高，但其復(fù)雜結(jié)構(gòu)給穩(wěn)定性控制帶來一定困難。研究表明，雙足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)對于其行走的穩(wěn)定性至關(guān)重要，在雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)上多連桿機(jī)構(gòu)的性能較好，其中四桿機(jī)構(gòu)最簡單，性價比最高，應(yīng)用最廣泛，但對材料的剛度和加工后零件的精度要求也較高[7]。由于本設(shè)計(jì)將以實(shí)物形式展示，考慮到所用材料和現(xiàn)有設(shè)備加工精度的不足，因此采用了腿部五自由度設(shè)計(jì)，并對仿生關(guān)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。本設(shè)計(jì)采用髖、踝部雙自由度交叉結(jié)構(gòu)以提高行走的穩(wěn)定性，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，研究不同運(yùn)動規(guī)劃下機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，確保復(fù)雜運(yùn)動中雙足步行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性[8-10]。

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人軀干、腿部、手部和頭部結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循由下至上、由內(nèi)向外的原則進(jìn)行[11]。

2 模型設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維建模前首先要對標(biāo)準(zhǔn)件建模，全部結(jié)構(gòu)三維模型都是以標(biāo)準(zhǔn)件，也就是以所選擇的元器件為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在所有元器件中，對伺服電機(jī)的建模最為重要，因?yàn)槿繖C(jī)械零件都要與伺服電機(jī)相連，其次是對控制電路板以及其他原件的建模。電機(jī)模型如圖1所示。

圖1 伺服電機(jī)模型

系統(tǒng)三維建模的目的是將抽象的設(shè)計(jì)思想用三維圖形來直觀地表現(xiàn)出來，在制作實(shí)物前通過運(yùn)動仿真可更好地檢查結(jié)構(gòu)的合理性，并為數(shù)控加工做好準(zhǔn)備。

在機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)中，腿部結(jié)構(gòu)關(guān)系到機(jī)器人是否能夠穩(wěn)定地行走，所以在設(shè)計(jì)時要以從下至上的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)，電機(jī)及零件的連接件如圖2和圖3所示。電機(jī)連接件采用蜂窩結(jié)構(gòu)，既能保證構(gòu)件質(zhì)量輕的要求，也能保證機(jī)器人連接強(qiáng)度的要求。在設(shè)計(jì)時要注意各零件的連接是否合理，零件的加工性要好，結(jié)構(gòu)要具有良好的穩(wěn)定性。

圖2 電機(jī)連接件

圖3 零件連接件

設(shè)計(jì)好機(jī)器人的腿部零件后，要對所設(shè)計(jì)的零件在UG6.0中進(jìn)行裝配，然后檢查所裝配部件的比例及大小是否符合設(shè)計(jì)要求，裝配孔的設(shè)置是否合理等。

圖4所示為腿部結(jié)構(gòu)三維建模的右視圖，圖5所示為腿部3D打印實(shí)物連接圖。裝配采用從里至外的方法進(jìn)行，裝配后的連接件之間要采用涂料防松(可用透明指甲油替代)。

圖4 腿部結(jié)構(gòu)三維建模右視圖

圖5 腿部3D打印實(shí)物連接

3 控制設(shè)計(jì)

機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)采用了6個舵機(jī)，他們通過控制板控制，在PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)制的基礎(chǔ)上對舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

由控制系統(tǒng)框圖可知，該系統(tǒng)采用的是閉環(huán)負(fù)反饋控制，控制精度高，控制板如圖7所示。

圖7 控制板

調(diào)試時只選擇已連接的舵機(jī)機(jī)位，選擇連接控制所用的COM端口并選擇相應(yīng)的波特率，將機(jī)器人預(yù)設(shè)的動作分步保存，然后存到程序存儲器中，程序調(diào)試由系統(tǒng)自動完成，不需人工干預(yù)。

4 小結(jié)

研究的3D打印機(jī)器人是在原金屬材質(zhì)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)器人采用了蜂窩結(jié)構(gòu)，從而可進(jìn)一步降低機(jī)器人的質(zhì)量，在蜂窩的底部打印加固模，可強(qiáng)化其連接強(qiáng)度，以便為3D打印機(jī)器人的更新升級提供技術(shù)支持。

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Designofa3DPrintingRobot

WANGYan-wei，LIJia-hui，JIANGYin-hong，MAPing，F(xiàn)ANXiao，TANGWei

(College of Mechanical Engineering，Harbin Institute of Petroleum，Harbin Heilongjiang 150028，China)

2017-06-04

2016年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

王妍瑋，(1982-)，女，黑龍江寧安人，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，E-mail：xianxinyue@163.com。

TP242

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2095-2953(2017)10-0013-03