高麗金，陳慧敏，金琦淳，戴水連，劉 倩，胡 洋

（無錫城市職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，江蘇 無錫 214153）

隨著科技的發(fā)展，機器人技術(shù)日新月異，機器人也逐漸走入人們的生活中，為生活增添色彩[1]。體操機器人是眾多智能機器人中的一種，它屬于仿人型競技機器人，主要參考人體的身體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，再將編好的程序?qū)懭肟刂葡到y(tǒng)后，能夠模仿體操運動員完成體操動作[2-4]。體操機器人動作的協(xié)調(diào)性除了與控制系統(tǒng)有關(guān)，更與機器人本體的機械結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此對體操機器人機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究成為了仿人型競技機器人領(lǐng)域的熱點[5-6]。

1 體操機器人的技術(shù)要求

1.1 場地要求

體操機器人運動場地是使用亞光聚氯乙烯（PolyVinyl Chloride，PVC）材質(zhì)制作的賽道，機器人要在賽道規(guī)定的區(qū)域內(nèi)完成表演。將體操機器人放置在一個直徑為2 000 mm的圓形場地內(nèi)，在圓形場地的中心點上，有一個直徑為250 mm的同心圓作為機器人的起始區(qū)域。體操機器人在直徑為2 000 mm的圓形場地內(nèi)，完成整套體操表演。圖1為場地示意圖。

圖1 場地示意圖

1.2 動作要求

體操機器人的動作要求包括準備動作部分、正式動作部分、結(jié)束動作部分以及創(chuàng)新動作部分等內(nèi)容。圖2為機器人的完整動作分解示意圖。

圖2 體操機器人的完整動作分解示意圖

2 體操機器人的方案設(shè)計

體操機器人主要包括下肢體、腰部、上肢體及頭部的設(shè)計，為實現(xiàn)體操機器人的動作要求，選擇10個自由度來滿足體操機器人的技術(shù)要求。下肢體對稱布置2個自由度，構(gòu)成機器人的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)；腰部布置2個自由度，構(gòu)成機器人的胸部和腹部；上肢體對稱布置2個自由度，構(gòu)成機器人的肩部和肘部。各部位關(guān)節(jié)的自由度方向設(shè)置與人體的主要運動關(guān)節(jié)相一致，圖3為體操機器人的結(jié)構(gòu)方案圖。

圖3 體操機器人的結(jié)構(gòu)方案圖

體操機器人十自由度的分配，能夠滿足體操機器人的動作要求和創(chuàng)新自編動作需求，體操機器人的機械結(jié)構(gòu)特征見表1。

表1 體操機器人的機械結(jié)構(gòu)特征

3 體操機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 下肢體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

體操機器人下肢體的膝部關(guān)節(jié)和髖部關(guān)節(jié)采用2個舵機配合U形支架呈十字形連接實現(xiàn)，見圖4。舵機的實（輸出）軸與實舵盤通過內(nèi)外花鍵固定連接，從而傳遞扭矩動力，虛軸與虛舵盤空套連接，將螺釘穿過U形支架兩端的通孔后，與舵盤上的螺紋孔連接固定即可完成裝配。膝部關(guān)節(jié)與腳掌通過沉頭螺釘固定，寬大的腳掌可保證機器人動作的穩(wěn)定性。髖部關(guān)節(jié)與胯部件連接固定，胯部件上下承載著機器人的腰部與下肢體。

圖4 體操機器人下肢體機械結(jié)構(gòu)

3.2 腰部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

腰部的胸部關(guān)節(jié)和腹部關(guān)節(jié)見圖5。2個腰部舵機的輸出軸分別在腰的上下兩側(cè)，胸部關(guān)節(jié)與頸部件連接，腹部關(guān)節(jié)與胯部件連接，頸部件左右兩側(cè)裝配有上肢體。

圖5 體操機器人腰部機械結(jié)構(gòu)

3.3 上肢體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

上肢體的肩部關(guān)節(jié)和肘部關(guān)節(jié)見圖6。肘部關(guān)節(jié)與手掌通過螺釘連接固定，并且肩部關(guān)節(jié)與頸部件連接。

圖6 體操機器人上肢體機械結(jié)構(gòu)

3.4 十自由度體操機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計思路所設(shè)計的十自由度體操機器人的機械結(jié)構(gòu)見第114頁圖7。整個體操機器人上肢展開后，長度為250 mm，寬度為150 mm，高度為350 mm，質(zhì)量約為2.5 kg。

圖7 十自由度體操機器人的機械結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文詳細論述了一種十自由度體操機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，參照人體主要運動關(guān)節(jié)的分布特點，合理設(shè)計了10個運動關(guān)節(jié)，在每個關(guān)節(jié)處設(shè)置了舵機，驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。當該機器人工作時，通過各關(guān)節(jié)協(xié)同配合，提高了動作的穩(wěn)定性，增強了運動的美感。