仿人机器人外壳的设计

机器人学专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”。在科幻小说和电影中，机器人都是具有像人一样外形、体能比人强大、可以受人操作的一种机器。但在各地活跃的工业机器人或是大多以工业机器人为主，工业机器人是为生产而设计的，为了适应各种不同的应用现场，其形状多种多样。仿人机器人不同一般意义上的工业机器人，它是一种形状与人类似、具有移动功能、操作功能、感知功能、记忆和自治能力能够与人交流的一种智能机器。
目前，中国机器人应用范围遍及汽车、工程机械、电子和电气装配以及家电等行业，形成了弧焊机器人、搬运机器人等及周边装备系列产品，而仿人机器人在国内还是一个新鲜事物，仅有少数的院校涉足这个领域。2002年年底，北京理工大学研制的仿人机器人BHR－01通过验收，是目前国内仿人机器人研究的重大突破。作为工业机器人，人们对其的要求更多的是在功能方面，这种机器人以各种各样的形象存在于这个世界上。以模仿人类为目的的仿人机器人在外观大都与人类相仿。作为仿人机器人的外壳，其作用是使仿人机器人的外观更易为人类所接受，尽可能地隐藏它的机械结构和控制部分，同时具有防尘作用。
仿人机器人的外壳设计与软硬件平台选择
外壳设计　　
仿人机器人是由许多关节构成，目前国际上先进的仿人机器人的自由度都在30个以上，在运动时，它的各个关节必须互不干涉，设计外壳必须是在充分了解仿人机器人整体机构及其所有自由度的基础上进行。所以设计仿人机器人外壳时，不是简单地一件象衣服一样的壳子把它包起来。在设计时应考虑以下问题：
（1）安装外壳后的仿人机器人不能影响原来的自由度。这要求对应每一个自由度至少有一个外壳，相邻的有相对运动的关节之间必须有足够的空间，在外壳设计时一定要考虑使外壳尽可能与原零部件紧贴。
　 （2）尽可能减少外壳的重量。仿人机器人的重量与其运动平稳性和自如性的关系紧密，无论从机构设计还是选材上，各国的机器人研究机构都力图减轻仿人机器人的重量，从而进一步开拓机器人动作范围。因此在进行机器人外壳设计时，在保证外壳与本体连接的前提下，应考虑尽可能选择较轻的材料。
　 （3）在保证功能的前提下，外壳设计应考虑美观。
　 （4）方便拆装。
（5）考虑加工成本。
软硬件平台选择
软件——INVENTOR
Autodesk Inventor软件是美国AutoDesk公司于1999年底推出的三维可视化实体模拟软件，目前已推出最新版本INVENTOR 10，实验室使用的是INVENTOR 6。从最初的草图到最后的工程图，Inventor为设计人员提供了执行项目设计所需的所有工具[3]，它包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。使用Autodesk Inventor可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的“连接到网络”工具可以使工作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间设计理念的沟通。与其它同类产品相比，Inventor在用户界面简单，三维运算速度和着色功能方面有突破的进展。它是建立在ACIS三维实体模拟核心之上，设计人员能够简单迅速地获得零件和装配体的真实感，这样就缩短了用户设计意图的产生与系统反应时间的距离，从而最小限度的影响设计人员的创意和发挥。
Inventor首次在三维模拟和装配中使用自适应的技术，零件及其特征可以自动适应另一零件，从而保证这些零件能够相互吻合。由于外壳设计是在原机器人的结构上进行的，选择Inventor软件，可以说极大的发挥了该软件的这些特长。对于机构设计和外壳不是同时进行或不是同一设计者的工程，大地减轻了外壳设计者的工作量。
硬件——IBM IntelliStation M Pro 6218图形工作站
2005年底、2006年初，随着INTEL i955X芯片组和新型处理器的诞生，IBM依惯例升级了IntelliStation个人图形工作站产品线。其中，IBM IntelliStation M Pro 6218系列个人图形工作站采用了INTEL i955X芯片组和新的6××、9××奔腾4处理器，不仅在性能上更上层楼，且具备了一系列的新功能，成为部件级、入门级个人图形工作站的首选。
全新平台、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芯片组推出的新型个人图形工作站，基于新的芯片组、处理器，灵活搭配处理器、内存和专业图卡，M Pro 6218系列的性能和功能大为增强，可以完成从零件设计到复杂部件设计的各种复杂度的工作。笔者使用的M Pro 6218的配置情况如表1所示。

设计过程
仿人机器人的外壳可以分为头、躯干、上肢、下肢及足五大部分，每一部分根据其自由度的关系可分为若干组成零件。如上肢壳除手外，共有7个自由度，其外壳主要由肩部外壳、大臂壳、肘关节壳、小臂壳、腕关节壳组成。对每一个外壳，先进行总体设计后，根据工艺要求和安装连接再对个别不易加工的外壳进行分离。
下面以仿人机器人头壳设计为例，介绍利用软硬件平台进行外壳件设计的一般步骤。
（1）部件衍生零件
仿人机器人的每一个部件都是由多个零件装配而成，打开一个部件装配图就意味着要打开这个部件中的所有零件和所引用的标准件，通常其况下，无论在打开、存盘或缩放视图时，受内存和显存的限制，速度很慢。但是，由于6218配备了2GB的高速DDR2 677内存，系统的处理速度大为提高。当然，为了节省时间和系统资源，也可以先把没有相对运动的关节部件图衍生成一个零件，并打断与原来的联系，这样就可以把关节部件作为一个零件来调用，更为节省设计的时间。具体操作如图1所示。

事实证明，不作调整情况下，6218可以在1分钟内打开全图，经过打断关系处理，6218可以在10秒钟内完成整个操作过程。经过处理后，无论包含多少个零件或特征的部件都可以在6218上作为一个零件调用，速度快多了。
（2）在装配图中利用投影工具设计外壳零件
外壳设计是针对某一零件或部件的，外壳件与零部件有装配关系。除此之外，考虑到外壳与本体是可拆的固定连接方式，我们选用了用月芽槽和螺母的配合方式，既方便外壳的拆装，又避免两者连接时螺钉外露问题。图2为装配外壳后的头部，图3(a)则是未装配外壳的机器人头部。6218的图卡经过了INVENTOR认证，支持OPENGL接口，在系统中的显示效果非常好，无论是半透明、透视、投影还是现况渲染图，都能满足要求。
仿人机器人头部外壳有对称的两个侧壳，中间连接部分由头后壳、面罩及下巴壳三个弧面构成。图3是在装配图中利用原来的头部装配部件设计头外壳1设计过程。由于装备体的特征比较复杂，且零件较多，在图形质量调节到最高后，6218系统稍稍有些拖慢，但是还能接受。
（3）从总装图看整体效果和干涉检查
机械产品的研制过程中的问题往往集中在部件装配和整机装配时。对仿人机器人来说也一样，通过在计算机中对外壳和本体的装配和运动仿真，可以更好地检查外壳的整体效果，同时为了检查加上外壳的部件是否干涉运动。
这一过程需要将机器人的全部部件导入系统，如图4所示是加装外壳的机器人在Inventor中的三种姿态。。Inventor的一个主要优点就是着色迅速，对于任意一个零件，无论是在模型树中还是在装配图中只选中它，就可以在工具栏中拾取材料和色彩改变它的颜色，这样可以对不同颜色及材料的外壳做对比，以确定最终方案。而6218的图形性能很好的表现出了这个特点，如图4所示，所有模型的材质非常真实，且能非常迅速的在线框和渲染模式下转换。
由于内存和处理器性能方面的优势，在6218上很好地支持了Inventor视图的缩放和视图旋转功能，使设计者来可以从任意方位看零件或部件总装图。
总结
仿人机器人的本体设计和外壳设计工程量巨大，充分发挥了Inventor软件的实体建模及协同工作的特点，也充分挖掘了IBM M PRO 6218的性能潜力，对设计人员来说，一来可以尽情发挥自己的想象，不至于受硬件和软件性能、功能的影响；二来大大减轻了设计人员的工作量，为设计工作的合作和延续提供了很好的平台。