人型机器人结构设计综述

人型机器人结构设计综述摘要：目前机器人的创新主要集中于软硬件升级以及各方面功能的实现，但是随着人们对于机器人的不同需求，对于人型机器人的结构设计问题也逐步进入了人们的视野，医护机器人和服务型机器人大多都采取人型机器人的方式设计，而如何能将人形机器人的结构设计进行优化提升，更符合人的运动特性成为了近些年人们主要的研究方向。关键词：人型机器人；结构设计；运动特性引言：目前机器人的软件或者硬件频繁更新换代，而本体结构发展较为缓慢，大多依然依靠传统的机械结构，导致机器人的功能性匹配度不高，性能不稳定。目前，国内机器人行业并未形成一定的市场，研究机构主要以科研院所及高校为主，没有投放到市场，制约因素之一就是由于机器人功能性匹配度不高，导致研发成本高、经济效益低；此外一些核心的关键部件依然依靠进口，要尽快突破这一瓶颈，对机器人本体结构的研究创新必不可少[1]。1.人形机器人结构研究韩瑞瑞、王少坤设计的一种仿人型体操机器人，首先确定机器人的中心位置为腰部，以腰部为分界线，从上肢、下肢两个角度进行舵机分配。人体上肢仅保留三个重要部分：颈部、肩关节和肘关节。将肩关节和肘关节的运动简化为上下摆动，所以双臂分别设计为两个水平的自由度共4个舵机。下肢舵机的舵机分配要考虑机器人的行走功能。机构包括腿部和足部，腿部由大腿和小腿组成，腿部结构采用8个舵机进行设计，每条腿是4个舵机，分别为偏移重心舵机（踝关节舵机）、膝关节舵机以及髋关节（胯部舵机），其中膝关节且有两个舵机采用无机构件连接方式进行组装，从而使它的整体身高长度缩短，降低重心。足部结构件的设计是采用传统的正方形方案，受力更加均匀的，设计的第一代和第二代机器人实物图如图1所示[2]。图1仿人型体操机器人戴珊珊，陈庆贺所设计的基于并联机构的仿人机器人，能并行连接为多个运动副作用同一部件，空间体积较大，但是运动灵活，承载力较大，可以应用于机器人头部、腰部的连接方式。机器人的自由度数量直接限制了机器人的运动性能，当然自由度也不是越多越好，自由度的数量也直接决定了机器人控制的复杂程度，每个自由度协调运动才能完成动作。在设计中，考虑机器人的整体尺寸以及机器人重要的驱动部件舵机的承载力矩，机器人的体积不能过大，各个部分比例模仿人形结构进行设计。为了能够实现机器人的双足行走，腿部结构自由度采用2+1+2的结构，满足机器人实现双足步行的需要。在机器人肩部、髋部和踝部为具有两个自由度的转动关节，采用驱动电机串联方式构成。机器人重心位置是机器人移动性能的重要条件，重心位置设计在腰部，稳定性较高。机器人构型如图2所示[3]。图2仿人舞蹈机器人机械结构图在国外研究中，日本、美国在人型机器人研究领域处于领先地位，波士顿动力是一家成立于1992年的工程和机器人设计公司，总部位于马萨诸塞州沃尔瑟姆，波士顿动力以开发一系列动态高机动性机器人而闻名，其中包括BigDog，Spot，Atlas和Handle。如图1所示，从2009年，波士顿动力开始研发PETMAN人形机器人，主要用于测试个人防护装备在危险化学环境中对人的影响。在美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助和监督下，波士顿动力公司于2013年7月11日向公众公开Atlas机器人，身高188cm，体重150kg，其设计目的是为了搜索和救援任务。在2016年，波士顿动力在视频网站上发布了新一代的Atlas机器人，这一代机器人身高175cm，体重81.6kg；在2018年，波士顿动力进一步对机器人进行了优化设计，最新身高1.5m，体重80kg，全身具有28个关节，速度能达到1.5m/s，能完成快速小跑、三级跳、后空翻和空中体操等一些列复杂动作，其动态性能是目前已公开中最好人形机器人。日本索尼也推出了一款娱乐型机器人“SDR-3X”，主要面向儿童及青少年，机器人可以进行踢足球、跳舞等娱乐活动，自由度达到了几十个[4]。2.总结随着机器人水平的日新月异，各种对于机器人的需求也层出不穷，因此人型机器人的结构设计发展还需要面临极大的挑战，虽然目前对于人形机器人的设计已经十分先进，但是为了能够真正达到代替人工完成一系列危险性工作或服务型工作，则需要人们更加完善机器人的结构特点，将机器人与人体结构类型作比较。机器人本体结构的创新性研究也能够增加机器人的自主性，减少对高精度、智能化软硬件的依赖，使机器人学习时间降低，稳定性和可靠性增加。相信在不久的将来，我们将会看到与人体结构十分接近的人形机器人的诞生。参考文献：[1]胡艳凯.仿人型机器人结构综述[J].南方农机,2020,51(17):65-67.[2]韩瑞瑞,王少坤.一种仿人型体操机器人的结构设计与优化[J].电子技术与软件工程,2021(05):78-79.[3]戴珊珊,陈庆