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(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

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

1 體操機(jī)器人的技術(shù)要求

1.1 場(chǎng)地要求

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

圖1 場(chǎng)地示意圖

1.2 動(dòng)作要求

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

圖2 體操機(jī)器人的完整動(dòng)作分解示意圖

2 體操機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)

體操機(jī)器人主要包括下肢體、腰部、上肢體及頭部的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)體操機(jī)器人的動(dòng)作要求，選擇10個(gè)自由度來滿足體操機(jī)器人的技術(shù)要求。下肢體對(duì)稱布置2個(gè)自由度，構(gòu)成機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)；腰部布置2個(gè)自由度，構(gòu)成機(jī)器人的胸部和腹部；上肢體對(duì)稱布置2個(gè)自由度，構(gòu)成機(jī)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(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)相一致，圖3為體操機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案圖。

圖3 體操機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案圖

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

表1 體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征

3 體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 下肢體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體操機(jī)器人下肢體的膝部關(guān)節(jié)和髖部關(guān)節(jié)采用2個(gè)舵機(jī)配合U形支架呈十字形連接實(shí)現(xiàn)，見圖4。舵機(jī)的實(shí)（輸出）軸與實(shí)舵盤通過內(nèi)外花鍵固定連接，從而傳遞扭矩動(dòng)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(jī)器人動(dòng)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(jī)器人的腰部與下肢體。

圖4 體操機(jī)器人下肢體機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2 腰部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腰部的胸部關(guān)節(jié)和腹部關(guān)節(jié)見圖5。2個(gè)腰部舵機(jī)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(jī)器人腰部機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.3 上肢體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)器人上肢體機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.4 十自由度體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路所設(shè)計(jì)的十自由度體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)見第114頁圖7。整個(gè)體操機(jī)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)論述了一種十自由度體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參照人體主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的分布特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)了10個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在每個(gè)關(guān)節(jié)處設(shè)置了舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)該機(jī)器人工作時(shí)，通過各關(guān)節(jié)協(xié)同配合，提高了動(dòng)作的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)的美感。