仿人機器人外殼的設計

機器人學專家、日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是步行功能”。在科幻小說和電影中，機器人都是具有像人一樣外形、體能比人強大、可以受人操作的一種機器。但在各地活躍的工業機器人或是大多以工業機器人為主，工業機器人是為生產而設計的，為了適應各種不同的應用現場，其形狀多種多樣。仿人機器人不同一般意義上的工業機器人，它是一種形狀與人類似、具有移動功能、操作功能、感知功能、記憶和自治能力能夠與人交流的一種智能機器。
目前，中國機器人應用范圍遍及汽車、工程機械、電子和電氣裝配以及家電等行業，形成了弧焊機器人、搬運機器人等及周邊裝備系列產品，而仿人機器人在國內還是一個新鮮事物，僅有少數的院校涉足這個領域。2002年年底，北京理工大學研制的仿人機器人BHR－01通過驗收，是目前國內仿人機器人研究的重大突破。作為工業機器人，人們對其的要求更多的是在功能方面，這種機器人以各種各樣的形象存在于這個世界上。以模仿人類為目的的仿人機器人在外觀大都與人類相仿。作為仿人機器人的外殼，其作用是使仿人機器人的外觀更易為人類所接受，盡可能地隱藏它的機械結構和控制部分，同時具有防塵作用。
仿人機器人的外殼設計與軟硬件平臺選擇
外殼設計　　
仿人機器人是由許多關節構成，目前國際上先進的仿人機器人的自由度都在30個以上，在運動時，它的各個關節必須互不干涉，設計外殼必須是在充分了解仿人機器人整體機構及其所有自由度的基礎上進行。所以設計仿人機器人外殼時，不是簡單地一件象衣服一樣的殼子把它包起來。在設計時應考慮以下問題：
（1）安裝外殼后的仿人機器人不能影響原來的自由度。這要求對應每一個自由度至少有一個外殼，相鄰的有相對運動的關節之間必須有足夠的空間，在外殼設計時一定要考慮使外殼盡可能與原零部件緊貼。
　 （2）盡可能減少外殼的重量。仿人機器人的重量與其運動平穩性和自如性的關系緊密，無論從機構設計還是選材上，各國的機器人研究機構都力圖減輕仿人機器人的重量，從而進一步開拓機器人動作范圍。因此在進行機器人外殼設計時，在保證外殼與本體連接的前提下，應考慮盡可能選擇較輕的材料。
　 （3）在保證功能的前提下，外殼設計應考慮美觀。
　 （4）方便拆裝。
（5）考慮加工成本。
軟硬件平臺選擇
軟件——INVENTOR
Autodesk Inventor軟件是美國AutoDesk公司于1999年底推出的三維可視化實體模擬軟件，目前已推出最新版本INVENTOR 10，實驗室使用的是INVENTOR 6。從最初的草圖到最后的工程圖，Inventor為設計人員提供了執行項目設計所需的所有工具[3]，它包含三維建模、信息管理、協同工作和技術支持等各種特征。使用Autodesk Inventor可以創建三維模型和二維制造工程圖、可以創建自適應的特征、零件和子部件，還可以管理上千個零件和大型部件，它的“連接到網絡”工具可以使工作組人員協同工作，方便數據共享和同事之間設計理念的溝通。與其它同類產品相比，Inventor在用戶界面簡單，三維運算速度和著色功能方面有突破的進展。它是建立在ACIS三維實體模擬核心之上，設計人員能夠簡單迅速地獲得零件和裝配體的真實感，這樣就縮短了用戶設計意圖的產生與系統反應時間的距離，從而最小限度的影響設計人員的創意和發揮。
Inventor首次在三維模擬和裝配中使用自適應的技術，零件及其特征可以自動適應另一零件，從而保證這些零件能夠相互吻合。由于外殼設計是在原機器人的結構上進行的，選擇Inventor軟件，可以說極大的發揮了該軟件的這些特長。對于機構設計和外殼不是同時進行或不是同一設計者的工程，大地減輕了外殼設計者的工作量。
硬件——IBM IntelliStation M Pro 6218圖形工作站
2005年底、2006年初，隨著INTEL i955X芯片組和新型處理器的誕生，IBM依慣例升級了IntelliStation個人圖形工作站產品線。其中，IBM IntelliStation M Pro 6218系列個人圖形工作站采用了INTEL i955X芯片組和新的6××、9××奔騰4處理器，不僅在性能上更上層樓，且具備了一系列的新功能，成為部件級、入門級個人圖形工作站的首選。
全新平臺、全新性能IBM IntelliStation M Pro 6218系列
M Pro 6218系列是IBM公司基于全新Intel i955X芯片組推出的新型個人圖形工作站，基于新的芯片組、處理器，靈活搭配處理器、內存和專業圖卡，M Pro 6218系列的性能和功能大為增強，可以完成從零件設計到復雜部件設計的各種復雜度的工作。筆者使用的M Pro 6218的配置情況如表1所示。

設計過程
仿人機器人的外殼可以分為頭、軀干、上肢、下肢及足五大部分，每一部分根據其自由度的關系可分為若干組成零件。如上肢殼除手外，共有7個自由度，其外殼主要由肩部外殼、大臂殼、肘關節殼、小臂殼、腕關節殼組成。對每一個外殼，先進行總體設計后，根據工藝要求和安裝連接再對個別不易加工的外殼進行分離。
下面以仿人機器人頭殼設計為例，介紹利用軟硬件平臺進行外殼件設計的一般步驟。
（1）部件衍生零件
仿人機器人的每一個部件都是由多個零件裝配而成，打開一個部件裝配圖就意味著要打開這個部件中的所有零件和所引用的標準件，通常其況下，無論在打開、存盤或縮放視圖時，受內存和顯存的限制，速度很慢。但是，由于6218配備了2GB的高速DDR2 677內存，系統的處理速度大為提高。當然，為了節省時間和系統資源，也可以先把沒有相對運動的關節部件圖衍生成一個零件，并打斷與原來的聯系，這樣就可以把關節部件作為一個零件來調用，更為節省設計的時間。具體操作如圖1所示。

事實證明，不作調整情況下，6218可以在1分鐘內打開全圖，經過打斷關系處理，6218可以在10秒鐘內完成整個操作過程。經過處理后，無論包含多少個零件或特征的部件都可以在6218上作為一個零件調用，速度快多了。
（2）在裝配圖中利用投影工具設計外殼零件
外殼設計是針對某一零件或部件的，外殼件與零部件有裝配關系。除此之外，考慮到外殼與本體是可拆的固定連接方式，我們選用了用月芽槽和螺母的配合方式，既方便外殼的拆裝，又避免兩者連接時螺釘外露問題。圖2為裝配外殼后的頭部，圖3(a)則是未裝配外殼的機器人頭部。6218的圖卡經過了INVENTOR認證，支持OPENGL接口，在系統中的顯示效果非常好，無論是半透明、透視、投影還是現況渲染圖，都能滿足要求。
仿人機器人頭部外殼有對稱的兩個側殼，中間連接部分由頭后殼、面罩及下巴殼三個弧面構成。圖3是在裝配圖中利用原來的頭部裝配部件設計頭外殼1設計過程。由于裝備體的特征比較復雜，且零件較多，在圖形質量調節到最高后，6218系統稍稍有些拖慢，但是還能接受。
（3）從總裝圖看整體效果和干涉檢查
機械產品的研制過程中的問題往往集中在部件裝配和整機裝配時。對仿人機器人來說也一樣，通過在計算機中對外殼和本體的裝配和運動仿真，可以更好地檢查外殼的整體效果，同時為了檢查加上外殼的部件是否干涉運動。
這一過程需要將機器人的全部部件導入系統，如圖4所示是加裝外殼的機器人在Inventor中的三種姿態。。Inventor的一個主要優點就是著色迅速，對于任意一個零件，無論是在模型樹中還是在裝配圖中只選中它，就可以在工具欄中拾取材料和色彩改變它的顏色，這樣可以對不同顏色及材料的外殼做對比，以確定最終方案。而6218的圖形性能很好的表現出了這個特點，如圖4所示，所有模型的材質非常真實，且能非常迅速的在線框和渲染模式下轉換。
由于內存和處理器性能方面的優勢，在6218上很好地支持了Inventor視圖的縮放和視圖旋轉功能，使設計者來可以從任意方位看零件或部件總裝圖。
總結
仿人機器人的本體設計和外殼設計工程量巨大，充分發揮了Inventor軟件的實體建模及協同工作的特點，也充分挖掘了IBM M PRO 6218的性能潛力，對設計人員來說，一來可以盡情發揮自己的想象，不至于受硬件和軟件性能、功能的影響；二來大大減輕了設計人員的工作量，為設計工作的合作和延續提供了很好的平臺。