利用Inventor设计仿人机器人外壳.pdf

数 字 化 设 计 Digital Design 53 C A D C A M 与制造业信息化 ww w icad co m cn 2 00 3 4 一 引言 仿人机器人不同于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 智能机器 世界上有很多研究机构在其研究中投入了 相当的人力和物力 其中以日本的本田和索尼公司 成绩最为引人注目 自1 9 9 6 年以来 日本本田公司的 P 2 P 3 相继问世 2 0 0 2 年在横滨机器人博览会上本 田最新式的A s i m o 的出场再次引起轰动 其后本田的 A s i m o 被以每年数十万美金的价格出租给I B M 它在 世界各地的巡回展览给研究者带来了经济效益 同 时 索尼公司推出的S D R 4 X 在博览会上更是大展风 采 S D R 4 X 是该公司于2 0 0 0 年1 1 月推出的因能跳现 代舞而引起轰动的S D R 3 X 的后续机型 在现场表演 中 S D R 4 X 给人的印象是完全可以在家中使用的 娱乐机器人 该机型计划在2 0 0 2 年底前投产 看 来 机器人走入家庭已不再是梦 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事物 仅有少数的院校 涉足这个领域 2 0 0 2 年年底 由北京理工大学研制的 仿人机器人B H R 0 1 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 人们对其功 能方面要求较多 因此这种机器人以各种各样的形 象存在于这个世界 而以模仿人类为目的的仿人机器 人在外观上大都与人类相仿 其外壳的作用是使仿人 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 二 仿人机器人外壳设计中的约束条件 分析 仿人机器人由许多关节构成 目前国际上先进 的仿人机器人的自由度都在3 0 个以上 在运动时 它 的各个关节必须互不干涉 因此设计外壳必须在充 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 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地与原零部件 紧 贴 2 尽可能减少外壳的重量 目前制造仿人机器 人的材料以金属材料为主 其重量根据身高不同而 不同 但都比同身高的人类平均体重重近1 倍 如日 本的本田机器人A s i m o 身高1 2 0 公分 体重却达5 2 公 斤 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 一步开拓机器人的动作范围 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 目前仿人机器人大多用于研究 娱乐和服务业 因此仿人机器人外观的亲和力尤为重要 4 方便拆装 任何机器的零件都有使用期 仿 人机器人由许多机械零件 电机 控制电路组成 需经常调试 因此 一些传动机构和控制部分的外壳 应方便拆装 北京理工大学机电工程系 赵玉灿 利用I n v e n t o r 设计仿人 机器人外壳 数 字 化 设 计 Digital Design C A D C A M 与制造业信息化 54 ww w icad co m cn 2 00 3 4 5 应考虑加工成本 由于仿人机器人还处于试 验阶段 外壳制作是单件小批 因此在外壳设计时 要考虑加工的成本 在满足功能的前提下 应尽可能 减少模具数量 简化模具形状 三 I n v e n t o r 软件简介 A u t o d e s k I n v e n t o r 软件是美国A u t o d e s k 公司于 1 9 9 9 年底推出的三维可视化实体模拟软件 目前最 新版本是I n v e n t o r 6 0 以下是A u t o d e s k I n v e n t o r 5 3 中建模的关键特征 1 衍生零件 由其他零件或部件创建零件 2 实体建模 将曲面与实体结合创建复杂形状 3 钣金 使用零件建模和钣金工具创建钣金零 件和特征 4 自适应布局 使用自适应布局可关联装配二 维零件 5 自适应零件和部件 自适应零件可以自动改 变以适应其他零件的修改 6 i F e a t u r e 创建特征 草图或子部件 并将其 作为i F e a t u r e 保存以便再次使用 7 i M a t e 利用约束说明指定零件中部件的连接 情 况 8 协作工程 当多个用户在同一部件环境中进 行工作并共享信息时 可以使用 项目 工程师 笔记本 和 设计助理 工具协同工作 四 基于I n v e n t o r 的仿人机器人外壳的 设计与实现 I n v e n t o r 的自适应技术使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 因此I n v e n t o r 软件的特点在这项设计中可以得到充分的发 挥 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 使用I n v e n t o r 可以大大减轻外壳设计者 的工作量 仿人机器人的外壳可以分为头 躯干 上肢 下肢和足五大部分 每一部分根据其自由度的关系 可分为若干组成零件 如上肢壳部分除手外 共有7 个自由度 其外壳主要由肩部外壳 大臂壳 肘关 节壳 小臂壳和腕关节壳组成 在设计过程中 先对 每个外壳进行总体设计 再根据工艺要求和安装连 接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 在打开 存盘或 缩放视图时 受内存和显存的限制 运行速度很 慢 如果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 就可以把关节部件作 为一个零件来调用 操作过程为 首先创建新零件 i p t 文件 进入草图状态 点右键选 结束草图 在特征选项中选择 衍生零件 这时弹出的对话框 要求选择要衍生的部件或零件的文件名 选定后按 确定 退出对话框 此时在面板上弹出一小窗口 如图1 a 所示 如果是由零件衍生零件则要求选择是 否用镜像 如果是由组合件衍生零件 则需要选是 否在平面间保留接缝生成零件 在模型树栏中选中 有衍生标记的原文件名 点右键在打开的窗口中选 取 断开链接 模型树栏的衍生零件标记变为断 开链接 如图1 b 1 c 所示 这样 无论包含多少 个零件或特征的部件都可以作为一个零件 调用时 速度就快多了 a 部件衍生零件 b 断开链接 c 完成编辑 图1 部件衍生零件的操作过程 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设计 外壳 件与零部件之间有装配关系 除此之外 考虑到外壳 与本体是可拆的固定连接方式 我们选用了月芽槽 和螺母的配合方式 这种配合方式既方便外壳的拆 装 又避免了两者连接时螺钉外露的问题 在外壳设 计时需要根据机器人本体的设计考虑月牙槽的位置 根据设计要求 外壳与零部件之间的空隙越小越 好 所以在装配中应以原有的零部件为参考设计外 壳零件 利用I n v e n t o r 在装配草图状态下的投影功能 既可以准确地保证外壳与原零部件的相对位置 又 避免了画图时不断查找原件的尺寸 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 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 数 字 化 设 计 Digital Design 55 C A D C A M 与制造业信息化 ww w icad co m cn 2 00 3 4 外壳的设计过程 在设计机器人头部外壳时 可先 新建装配文件头部 i a m 调用第一步衍生的部件头 部 i p t 然后在装配中给部件添加外壳 具体操作为 在新建的头部 i a m 中调用部件衍生的头部 i p t 如 图3 a 所示 选取标准工具栏中的视景缩放和旋转图 标观察头部各自由度 构思头壳形状 在头部新建 平面1 在组合工具栏中选新建零件头壳1 此时头 部不再亮显 在平面1 上新建草图 将平面1 转正 在草图工具栏中点击投影 就可以把所需的头部的 轮廓线条投影在头壳1 的草图中作为画草图和标注 的参考 如图3 b 所示 这样能简单清晰地设计外壳 与本体的关系 完成头部壳1 如图3 c 的设计后 在组合状态下给二者加上约束 再利用已有的侧壳 及头部依次完成头后壳 面罩及下巴壳的设计 装 配后可得到图2 所示的加了外壳的头部 这样就完 成了对头部外壳的设计 图2 仿人机器人头壳 a 衍生部件 b 投影 c 装配 图3 在装配过程中设计新零件 3 用总装图进行整体效果和干涉的检查 机械产品研制过程中的问题往往集中在部件装 配和整机装配阶段 仿人机器人的设计也不例外 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 同时可以检查加上 外壳后部件是否存在干涉 为了便于组合 可把装有 外壳的部件图衍生成零件图 但不能断开与原图的 链接 以便修改 I n v e n t o r 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 只要选中它 就可以在工具栏中拾取材 料和色彩以改变它的颜色 这样可以对不同颜色及 材料的外壳作对比 以确定最终方案 I n v e n t o r 的视图缩放和视图旋转功能使设计者可 以从任意方位观看零件或部件总装图 图4 是加装外 壳的机器人在I n v e n t o r 中的三种姿态 用鼠标拖动各 关节 检查加上外壳后的关节运动是否存在干涉及 设计中尺寸不合理的地方 同时可以查看整个机器 人的外观效果 对仿人机器人来说 主要是看其头 部 胸 下肢的比例是否合适 并对机器人外壳选 材及着色提供参考 通过上一步的检查 对不满意的 地方进行修改 既可以在零件图或装配图中点击组 件直接编辑修改 也可以打开零件图或部件图修改 这些修改都会反映在总装图中 反复重复第二步 第三步直到满意为止 图4 外壳设计完成后的仿人机器人 4 输出工程图 设计定稿后 就可以进行出图 制作了 在现代 化的企业中 利用R P M 快速原型制造 技术完全可 以实现从I n v e n t o r 设计直接到产品的过程 但目前大 多数制造商还是习惯于传统的平面工程图 I n v e n t o r 中的创建工程图模板提供了这个功能 打开各个零件 文件 i p t 选好主视图 再创建工程图文件 i d w 即可 在修改零件文件 i p t 时工程图文件 i d w 也