2010-一款迎宾机器人的头部结构设计_李素平.doc

机械设计第 27卷第 7期2 0 1 0 年 7 月 JOURNAL OF M ACH INE DES IGNV ol. 27 N o. 7 Ju l. 2010* 一款迎宾机器人的头部结构设计李素平, 陈振华, 陈军, 唐文彬(上海大学 机电工程与自动化学院, 上海200072)摘要: 介绍了一 款迎宾机器人的头部机械结构设计, 迎宾机器人头部有 眼睛、眼睑、下颚、颈部 4个运 动模块, 可以实现 6个运动自由度, 分别为眼睛上下转 动、眼睛左右转动、眼睑开合运动、下颚开合运动、颈部点头运动和 颈部摇头运 动。详细介绍了各运动部分的机械结构设计及运动学分析, 并给出了未来的工作方向。关键词: 迎宾机器人头部; 面部表情; 结构设计中图分类号: TP24 2. 6文献标识码: A文章编号: 1001- 2354( 2010) 07- 0020- 05随着经济和科技的高速发展, 用于第三产业服务 等情绪化表情。要实现这些迎宾要求, 机器人就要具的机器人数量将会大大增加。迎宾机器人作为服务机 有摇头、点头、眨眼、眼珠转动、嘴巴开合等基本动作,器人的一种, 具有广阔的市场前景 1 。迎宾机器人必 1 。迎宾机器人必将这些基本动作进行合理的编排, 便可以组成活泼生须能与人进行自 然、和谐 的交互, 才能实现其迎宾功动的面部表情。能。而要实现与人之间的良好交互, 表情沟通便不可 就当前来看, 机器人的表情实现方法主要有两种:避免。当前国际上针对仿人机器人的研究主要集中于( 1)从机械学的角度分析, 人的表情主要依赖于眼睛、机器人感知、仿人多指灵巧手、仿人步态以及自治行为眼睑、嘴巴的运动来实现, 如果将这几个运动得以准确等方面, 对机器人的面部和表情的研究相对较少, 技术地实现, 再配合颈部的运动, 就组成了机器人的各种表上也相对匮乏 2- 3 。目前, 在表情机器人方面, 美国、 2- 3 。目前, 在表情机器人方面, 美国、情, 当然也就可以实现与人之间的良好沟通。 ( 2)从日本的一些大学和研究所相对领先。如美国麻省理工学院的婴儿机器人 K ism et, 具有视觉和听觉, 具有高兴、沮丧、惊讶、疲倦、愤怒、等多种表情仿生学角度出发, 采用仿人头骨、仿人器官、仿人肌肉、仿人皮肤等 构成人 头部, 用人工肌肉来驱动产生表 4 ; 日本早稻田 2 - 3 。综合分析这两种方法, 第 1种方法较易实现,情大学的 W E - 4机器人可以表达中、喜、怒、厌、悲、恐、 5结构也简单可靠, 但是表情的实现不太逼真; 第 2种方惊、羞、醉 9种表情 ; 此外, 英国研制的婴儿机器人 I-Cub也能表达几种基本表情 6 。我国哈尔滨工业大学 6 。我国哈尔滨工业大学法可以产生与人类极为相似的面部表情, 但需要较高研制仿人头像机器人 H&F robot- ,I 具有自然 (中性 )、 的技术和特有的材料, 较难实现。考虑到所设计机器喜、怒、哀、乐、惊 讶、严肃、恐惧 等 8 种基本面部表 人的卡通形象, 本次设计采用第一种方法。情 7 。通过这些基本表情, 可以实现机器人与人之间的良好沟通。纵览已有的表情机器人, 很多研究者采用仿人皮2机器人头部自由度及技术指标确定肤的方式来实现表情, 由于技术不够完善, 实现的表情往往达不到预期效果。而卡通形象的机器人在一定程度上能很好地解决这个问题, 卡通形象的机器人只要表情生动可爱、动作灵活, 很容易得到大家的喜爱。根据分析, 设计的机器人头部定为 6个自由度。如图 1所示, 分别为颈部点头、颈部摇头、下颚开合、眼睛左右转动、眼睛上下转动及眼睑开合。通过这 6个自由度的合理编排, 可以基本实现机器人的迎宾功能。1功能要求及实现原理通过对真人的面部表情的观察分析, 用 Pro /E 对机器人头部进行建模分析及运动模拟, 初步制定各运 动的技术指标, 如表 1所示。通过控制电机的转速, 可迎宾机器人要实现常见的迎宾动作, 如打招呼、点头问候、欢迎、再见等, 还可以做眨眼、转头、点头、摇头以实现不同的运动速度。* 收稿日期: 2009- 04- 03; 修订日期: 2010- 01- 15基金项目: 上海市科学技术委员会资助项目 ( 09111101000 )作者简介: 李素平 ( 1983 ), 女, 河南台前人, 工学硕士, 研究方向: 仿人机器人。 2010年 7月 李素平, 等: 一款迎宾机器人的头部结 构设计 21图 1 机器人头部自由度图表 1 机器人头部运动技术指标运动名称运动范围 /( )最大运动速度 /(次 /m in)( b) 眼球左右转动曲线颈部摇头运动 - 30 + 30 20颈部点头运动 0 - 20 20眼睛左右转动 - 25 + 25 30眼睛上下运动 - 25 + 25 30眼睑开合运动上 眼睑 0 + 45下 眼睑 0 - 3540下颚开合运动 0 - 30 303各机构详细设计及驱动选择( c) 眼球上下转动曲线1 加速度曲线 ( mm / s2 ); 2 位置曲线 ( mm) ;3. 1眼球转动机构及运动分析3 速度曲线 ( mm / s)人的双眼上下运动都是同向的, 而双眼左右运动多数是同向的, 偶尔也会非同向运动, 这种现象在日常生活中并不常见, 本次设计的迎宾机器人眼球上下、左图 23. 2眼睑开合机构及运动学分析 人的眼睑由上、下两部分组成, 其中上眼睑运动范右运动均采用同步转动形式, 眼球转动机构共有 2 个 围大, 下眼睑运动范围很小。但鸟类却是下眼睑运动,转动自由度, 如图 2a所示。眼 球左 右转动 是通 过电 上眼睑不动。总览当前的仿人机器人, 绝大多数采用机驱动曲柄连杆机构带动左右眼球同步转动; 眼球 单眼睑机构, 即只有上眼睑。经过具体分析及运动仿上下转动是通过电机驱动曲柄连杆机构, 使整个眼真, 对比后发现 采用上、下双眼睑机构 不仅使外貌美 球机构绕着中心连杆上下同步转动。由于采用了四 观, 表情动作的实现也更加活泼生动。考虑所设计机连杆机构使运动 不会 产生死 点, 起到极限位保护的器人的卡通形象, 本次眼睑设计以拟人形象为主, 采用 作用。 双眼睑机构, 上眼睑较大 (约占整体的 2 /3), 下眼睑较运用 Pro /E对上述机构进行建模分析, 眼睛左右转动及眼睛上下 转动的位置、速度、加速度曲线如 图 小 (约占整体的 1 /3), 眼睑开合机构图与仿真图分别2b, c所示。通过眼睛上下、左右运动的合理配合, 即 如图 3a, b所示。通过电机驱动主动齿轮, 带动上下两可实现眼睛的多重运动, 如双目旋转等。此外, 通过在 个从动轮, 从动轮上的偏心轴推动连杆机构使得上下眼睛内部放置摄像机, 使机器人具有表情识别功能, 也 眼睑做同步开合运动。使机器人能够更自然地与人交流。 运用 Pro /E 对上述机构进行建模分析, 上、下眼睑运动的位置、速度、加速度曲线如图 3c所示。可以通过选用调速电机, 改变眼睑的开合速度。采用齿轮系结构, 实现上下眼睑同步开合, 节省了驱动; 可通过改变上、下眼睑推杆的长度, 使机器人实现眨眼和沉思等表情, 而且双眼睑机构使表情更自然。3. 3下颚开合机构及运动学分析( a) 眼球转动 机构图 人有上下颚之分, 上颚和头盖骨相连, 固定不动,22 机械设计 第 27卷第 7期 下颚是可以上下转动的。下颌的运动可以带动嘴唇的 所示。张合, 实现机器人嘴巴开合的效果。下颚开合机构如图 4a所示, 通过电机驱动曲柄连杆机, 带动下巴转动产生嘴巴开合的效果。运用 Pro /E对上述机构进行建模分析, 下颚运动的位置、速度、加速度曲线如图 4b所示。通过下颚开( a) 下颚开合机构图合可以实现嘴部说话的动作, 也可实现微笑等表情, 并能配合语音系统实现语言功能。 ( a) 眼睑开合机构图( b) 眼睑 开合仿真图( b)下颚位置、速度、加速 度曲线图 43. 5机器人头部整体布局综上分析, 卡通迎宾机器人头部主要由眼球转动机构、眼睑开合机构、下颚开合机构以及颈部转动机构组成, 其头部机构总体布置如图 6所示。( c) 上下眼睑位置、速 度、加速度曲线图 33. 4颈部机构( a) 颈部上下运动机构图( b) 颈部左右 运动图人的颈部运动由点头、摇头与摆头 3 个自由度组成, 在交流过程中, 适时的颈部运动使表情更生动, 沟通更自然。考虑具体情况, 只需点头、摇头 2个自由度就可满足项目要求, 文中设计的机器人颈部有点头、摇头 2个自由度。如图 5a, b所示, 分别为颈部点头和颈部摇头机构。点头机构, 通过电机驱动一个曲柄连杆机构, 带动机器人的整个头部绕固定轴上下转动, 实现点头的动作。摇头机构, 由电机驱动一个小齿轮, 使小齿轮绕着固定于机架上的大齿轮转动, 并带动整个头1加速度曲线 (mm /s2 ); 2位置曲线 (mm );部绕着颈部旋转。3速度曲线 ( mm /s)( c) 颈部上下运动位置、速度、加速度曲线运用 Pro /E对上述机构进行建模分析, 颈部点头及摇头运动的位置、速度、加速 度曲线分别如图 5c, d 2010年 7月 李素平, 等: 一款迎宾机器人的头部结 构设计 23机械特性和调节特性、调速范围广、启动平稳、寿命长、噪声小等优点。表 2机器人头部各机构传动链机 构名称 传动链颈部 摇头机构 步进电 机 - 减速器 - 齿轮传动装置颈部 点头机构 直流伺服 电机 - 减速器 - 曲柄连杆机构眼睛左 右转动机构 直流伺服 电机 - 减速器 - 曲柄连杆机构眼睛上 下运动机构 直流伺服 电机 - 减速器 - 曲柄连杆机构眼睑开 合运动机构 直流伺服 电机 - 减速器 - 齿轮传动装置1加速度曲线 (mm /s2 ); 2位置曲线 (mm );3速度曲线 ( mm /s)下颚 开合运动 直流伺服 电机 - 减速器 - 曲柄连杆机构迎宾机器人今后的的工作主要是进一步完善机器人的表情, 如添加眉毛机构、嘴唇机构等, 使机器人实 ( d) 颈部左右运动位置、速度、加速度曲线现更丰富的表情; 研究机器人表情实现的控制部分, 使 图 5颈部机构和运动曲线图机器人准确完成多种表情; 完成一个研究性的机器人平台, 可以进一步扩充其视觉识别功能等、表情识别功能、语音识别功能。参考文献 1 张也弛. 服务型机器人产 品造型设计 研究 D . 辽宁: 吉林大学, 200 6. 2 于爽, 张永德. 一种仿 人机器 人面部的 结构设 计 J. 机图 6头部机构图械科学与技术, 2004( 2) : 196- 20 3.3. 6驱动选择迎宾机器人的头部尺寸是有限的, 这就要求整个头部机构紧凑, 也就是在一个有限的空间内, 不仅要放置眼睛、眼睑、下颌、颈部等运动机构, 还要放置电机、 3 罗旆晅. 机器人仿生面部的表情模型研究 D . 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 20 04: 1- 16. 4 Breazeal C. M o tivationa l syst em for regu la ting hum an- robo tin teraction C / /P roceedings of the N ationa l Con feren ce on驱动器、控制器等控制元件; 头部机构运动的范围较A rtific ia l In telligen ce, 19 98: 54- 61.小, 这就要求运动传递要准确, 不能失真。 5 H lroyasu M wi a. D evelopm ent of a new hum an l ike head r o-综合分析了各种驱动, 文中设计的迎宾机器人头bot w e4 C / /P roceed ing s of 2002 IEE ER /SJ inte rnational部以直流电机为主, 如眼睛转动、眼睑开合、下颚开合以及颈部上下转动均选用直流电机。只有在颈部左右转动上选用步进电机, 主要是考虑到机器人摇头时需conference on in tellig ent robo ts and sysetm s: 2443448IEEE, ICR A, 2 000: 2243- 225 7. 6 Be ira R, LopesM, P raga M, et a.l Des ign of the robo-t cub( iCub) head C / /P roceedings of the 2006 IEE E In tern a-要精确的位置控制。tional Conference on Robotics and A u tom at ion O rlan do,F lor ida, 200 6: 94- 1 00.4结论及未来工作 7 鹿麟, 吴伟国, 孟庆梅. 有视觉及面部表情 的仿人头 像机器人系 统 设 计 与 研 制 J . 机 械 设 计, 200 7, 24 ( 7 ):20- 23.文中所设计卡通机器人属于一个工程项目, 在很大程度上要考虑其成本和可靠性要求, 表情功能也相S tructu ral design of a gu est-greet ing robots h ead 对较少。此外, 考虑到其特殊的卡通造型, 表情机构的L I Su-p in g, CH EN Zhen-hua, CH EN Jun, T ANG W en- b in设计与实现也与以往的拟人机器人稍有不同。总结起( Co llege of M echan ical Eng ineering an d Autom a- 来, 文中设计的各机构传动链如表 2所示。tion, Shanghai Un ivers ity, Shanghai 20 0072, Ch ina)文中设计的迎宾机器人头部机构多为曲柄连杆机A bstrac:t In th is paper, the h ead stru ctu ral des ign构, 主要是因为曲柄连杆机构具有结构简单、运行平of a guest-greeting rob ot is in trodu ced. There are four m o-稳、无死点等诸多优点, 使运动更加平稳流畅; 选用的tion m odules on its h ead, inc lud ing ey es, eyelids, jaw驱动以直流电机为主, 这是因为直流电机具有较好的 and neck. And its head c an a ch ieve six degrees of f reedom: 第 27卷第 7期 2 0 1 0 年 7 月机械设计JOURNAL OF M ACH INE DES IGNV ol. 27 N o. 7 Ju l. 2010* 零件失效相关表决系统 Copu la可靠性模型唐家银1, 2, 赵永翔2, 何平1, 王沁1, 宋冬利2( 1. 西南交通大学 数学学院, 四川 成都610031; 2. 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 四川 成都610031)摘要: 零部件失效相关是降低冗余系统可靠性的重要原因。从分解零部件失效相关结构和寿命边缘 分布的角度, 综合考虑了 k /n( G )表决系统中导致失效相关的两类因素: 共因失效和从属 失效。运用 Copu la函 数的相关 性理论, 建立了零部件失效相关的 k /n ( G )系统可靠度计算模型。因为无需确定零部件寿命向量 的联合密度函数, 且用低重差分 运算替代了多重积分运算, 反映了模型的简捷性和实用 性。通过 系统可靠 度随零 部件数 目的变 化曲线, 验证 了 Copula可 靠度理论的合理性; 给出了模型中相关程度参数估计的两种统计方法。最后, 算 例说明了模型的有效性。关键词: C opula; 失效寿 命; 相关性; k /n ( G )表决系统; 可靠度计算; 相关程度参数中图分类号: TB 114. 3; T B115文献标识码: A文章编号: 1001- 2354( 2010) 07- 0024- 06k /n(G ) 表决系统是提高系统可靠性的一种冗余 但相关是系统失效的普遍特征, 忽略零件间失效相关方式, 在工程实践中经常得到应用。目前经典文献 1-性, 常导致可靠性结果过大误差, 甚至错误结论 11- 12 。 11- 12 。5 对表决系统可靠度的分析计算均以零部件失效相 表决系统中导致零部件失效相关的原因有两类: 由突互独立为基础, 建立独立性模型: 发事件、环境的变化 (如流体冲击、腐蚀、振动、温度、nR k /n(G ) ( t) = k /n(G ) ( t) = r= knrRr n- r ( 1)i ( t) 1 - R i ( t) 操作失误等引起的共因失效; 由零件失效, 造成存活零部件的工作环境劣化、载荷增大, 从而使其失效率增大但实际工程中, 由于影响表决系统可靠性的因素的从属失效 13 。 13 。诸多, 该模型过于粗略、理想化。近年来, 国内外学者不 考虑零件失效相关性的 k /n ( G) 表决系统可靠性断尝试对表决系统可靠性分析进行深入研究, 以使之 6 假设所有零部件工作更符合各类实际应用。Zhang和修理时间均服从指数分布, 利用几何过程、向量马尔 度时引入环境因素变量, 但该因素变量的密度函数难科夫过程和排队理论得到带有可维修性维修设备的k /n( G ) 系统可靠性指标。Selm a 7 利用条件期望讨论 7 利用条件期望讨论零部件寿命独立、但不同一分布、载荷不均等 的 8 将零件二状态k /n( G ) 表决系统的平均寿命函数。L i(正常 /失效 ) 推广至多状态, 以每个零部件的有效度为权重, 采用递归算法和泛生成函数来估算多状态权 9 10 和冷 还分别探讨重的 k /n ( G) 系统可靠度。Luk /n( G ) 系统的最优化配置问题和其模糊可靠度。文献 1 - 10 均以零部件失效相互独立为条件, 14 针对共同工作环境对研究越来越受到关注。S erk an系统零部件寿命产生相关影响, 从而在计算系统可靠以确定。谢里阳等 15 建立的表决系统失效概率模型考 15 建立的表决系统失效概率模型考虑了共因失效的影响, 却未涉及从属失效因素, 即把零件寿命变量作独立处理。周金宗 等 16 针对载荷全相 16 针对载荷全相关、强度独立的同分布表决系统, 基于相关系数 , 给