安徽三聯(lián)學(xué)院 機械工程學(xué)院 安徽 合肥 230601

引言

機器人作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，在機器人的發(fā)展與應(yīng)用過程中機器人技術(shù)越來越成熟，如今已經(jīng)可以代替人類從事危險環(huán)境及不適合人類工作環(huán)境下工作，使得工廠的生產(chǎn)趨向于自動化發(fā)展。舞蹈機器人作為新時代的產(chǎn)物，在未來人類的生活中將逐漸常見，兼具功能與外觀，生動有趣的形象，為生活帶來無窮樂趣。

機器人主要分為兩大類：一類是用于工業(yè)技術(shù)上的生產(chǎn)制造，從而解放人類勞動力，同時也代替人類進行高危事業(yè)保證人類生命安全；另一類用于非制造環(huán)境下的特種機器人如服務(wù)、醫(yī)療、娛樂機器人等。隨著機械、計算機、電子等技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)也日新月異，機器人技術(shù)已被用于軍事、醫(yī)療及娛樂等行業(yè)，舞蹈機器人正是娛樂機器人的一類。

從近幾年世界范圍內(nèi)推出的機器人產(chǎn)品來看，舞蹈機器人技術(shù)正在向智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化；PC化和網(wǎng)絡(luò)化;伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化。舞蹈機器人在日本、韓國、美國、中國等各個國家都先后有不同程度的發(fā)展，尤其是在日本已經(jīng)有突破性的發(fā)展。在舞蹈機器人科技方面，中國還處于萌芽階段。就中國而言，機器人很少向娛樂行業(yè)發(fā)展，當(dāng)我們的舞蹈機器人出現(xiàn)在娛樂舞臺上時，必將使娛樂方式更，加時代化、多元化，使娛樂內(nèi)容更加豐富多彩。

1 設(shè)計思路

首先對總體進行分析和設(shè)計，確定舞蹈機器人的功能、結(jié)構(gòu)和各項硬件配置。其中機械設(shè)計為最主要的環(huán)節(jié)。舞蹈機器人整體設(shè)計分為主體設(shè)計、動力系統(tǒng)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計。如圖1所示。主體采用各個單獨系統(tǒng)聯(lián)合控制實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)人類的各種舞蹈動作，具有臂部與腕部和手部同時也配備足部膝部，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立的行走過程。各個部位具有單獨的動力系統(tǒng)，這樣使得動力的傳輸更加直接切損耗較小[1]。

2 動力系統(tǒng)設(shè)計

舞蹈機器人的動力系統(tǒng)主要由舵機、電壓較小的直流馬達和微小型伺服電機來組成，根據(jù)確定的自由度和各個肢體所要表達的動作幅度來卻定具體所要選用的動力組成件。

主要動力系統(tǒng)可分為頭部、各彎曲關(guān)節(jié)部位和供其移動的底座三大動力系統(tǒng)構(gòu)成，其底座要求能夠模擬人類獨立行走且運動角度在不斷的呈現(xiàn)不規(guī)律變化故選用單獨futabas3003舵機進行控制；該舵機扭力可達4.1千克且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝有減震防撞軸承，減少摩擦并且完全密封，具有較高的安全性和美觀度。其轉(zhuǎn)角可達180°可實現(xiàn)任意角度運動。各關(guān)節(jié)部位可有伺服電機提供動力，因為伺服電機本身具備發(fā)出脈沖功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，其轉(zhuǎn)動角度如圖3所示。為了確保頭部能夠具有旋轉(zhuǎn)扭動功能本設(shè)計采用電壓較小的直流電動馬達來為其提供動力，供電方式為間斷性瞬間供電以確?？梢詫崿F(xiàn)微小扭頭及擺頭動作[2]。

圖3 伺服電機脈沖角度

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)主要分為直流馬達傳動、伺服電機傳動和舵機傳動，直流馬達直接與頭部肢體相連接通過間斷性瞬間供電，馬達輸出效率直接傳遞到舞蹈機器人的頭部，以帶動頭部的旋轉(zhuǎn)及擺頭動作來達到頭部運動的效果，如圖4所示。

舞蹈機器人的各個活動關(guān)節(jié)主要通過伺服電機帶動傳動機構(gòu)進行傳動，伺服電機裝置在舞蹈機器人的身體內(nèi)部傳動距離較長，各動力需要傳輸?shù)讲煌牟课?，伺服電機的脈沖電流輸出穩(wěn)定的動力通過聯(lián)軸器與V帶傳動相連，V帶的另一端利用減速器的齒輪嚙合作用以小齒輪帶動大齒輪達到減速的目的，最后通過聯(lián)軸器把動力傳輸?shù)轿璧笝C器人的活動關(guān)節(jié)，電動機傳動結(jié)構(gòu)如圖5所示。

舞蹈機器人的底座移動部分采用舵機傳動系統(tǒng)，由接收機發(fā)出訊號給舵機來控制舵機的移動，經(jīng)過電路板上的IC驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳輸至底座，同時位置檢測器送回訊號以判斷是否達到定位。舵機與底座之間采用齒輪嚙合連接[3]。

圖4 動力控制圖

圖5 電機傳動系統(tǒng)

4 肢體表達設(shè)計

舞蹈機器人整體的肢體表達應(yīng)具有足夠的靈活性，本舞蹈機器人具有頭部、肩部、肘部、腕部、腰部、膝部、腳部等多個可活動關(guān)節(jié)來模仿人類的舞蹈動作，各關(guān)節(jié)控制如圖4所示。頭部用直流馬達控制具有一個自由度一用來完成頭部的左右轉(zhuǎn)動；上身軀干一共具有六個自由度，全部由各個部位的伺服電機來驅(qū)動，分別為左右肩部兩個自由度，用來完成肩部手臂的揮動，左右肘部兩個自由度，用來完成小手臂的轉(zhuǎn)動，剩下兩個自由度為左右手腕的轉(zhuǎn)動，可以很好地模仿舞蹈過程中的甩手動作；腰部由伺服電機驅(qū)動，具有一個自由度以實現(xiàn)腰部的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)舞蹈過程中的扭腰動作；下身軀干一共具有六個自由度，分別為腿部兩個自由度來完成抬腿動作，膝部兩個自由度來完成下蹲動作，腳部兩個自由度來完成自由行走，其中腳步兩個自由度由舵機驅(qū)動另外四個自由度由伺服電機驅(qū)動。舞蹈機器人的整體外觀由3D打印模型外殼進行拼接完成，首先在soliddorks軟件上進行建模繪制出實際尺寸的外殼3D模型，再由3D打印機進行打印，最后對各個軀干零部件進行組裝，將齒輪和各驅(qū)動件進行包裹[4]。

圖6 各關(guān)節(jié)控制圖

5 總結(jié)

舞蹈機器人的動力系統(tǒng)采用直流馬達、伺服電機和舵機分區(qū)分機構(gòu)獨立傳動；傳動系統(tǒng)采用直接傳動、齒輪傳動、帶輪傳動等多種傳動方式相結(jié)合；肢體表達設(shè)計采用3D打印技術(shù)通過三維軟件進行建模能夠更好地將舞蹈機器人的外觀具體化。

6 結(jié)束語

目前市面上舞蹈機器人尚處于探索階段，大部分舞蹈機器人不能夠很好的模仿人體的肢體表達，不能將舞蹈動作完整的做出。本舞蹈機器人采用分級驅(qū)動與3D打印外殼，不僅具有機器人的外表還可以準(zhǔn)確表達各種舞蹈姿勢。經(jīng)過計算與調(diào)整來確定各個部位所需的扭矩及應(yīng)力，選用不同的驅(qū)動件經(jīng)行驅(qū)動，確保舞蹈機器人的活動。市面上采用多級傳動分區(qū)驅(qū)動的舞蹈機器人，大部分機器人都是直接進行傳動且提供動力系統(tǒng)單一，大部分舞蹈機器人采用木制或不銹鋼外殼而本舞蹈機器人所采用的為3D打印外殼具有足夠的安全性和美觀性。