迎宾机器人机械臂机构创新设计及外观设计研究

迎宾机器人机械臂机构创新设计及外观设计研究

作者：宋文，孙传祥

来源：《创新科技》2013年第04期

本次设计以山东大学和齐鲁医院的合作命题“迎宾机器人设计”为依托，力图对现有的技术和产品形态进行改良。

在结构设计方面，采用无纸化的作业方式，利用三维实体软件Pro/E进行结构设计，利用ADAMS软件进行运动学分析和仿真，并对机器人结构及运动特性进行优化。在外观设计方面，利用Rhinoceros三维设计软件对设计进行三维表现，并结合Flash技术对设计进行动态效果展示。在这个过程中装配图和零件图相互关联，由粗略到反复细化、符合装配图和相关零件图一致性的要求，大大优化了设计过程。

结构设计

机械臂的创新设计是本次研究的重点。设计方案应能满足5个自由度的要求，同时结构尽量简单、成本低、重量轻。因此，在机械臂的设计中创新性地采用了锥齿轮结构，并采用电磁离合制动器来进行相关的控制，该种形式的机械臂具有结构简单、轻盈、易于控制等特点，整个机械臂驱动只需一个电机，关节处需要的动力均从传动链上通过电磁离合制动器获得。整体结构简单、轻盈。

在此基础上，进一步设计了机械臂的整体结构。关键部分为电磁离合制动装置和锥齿轮结构的运用。如图1所示。

与传统机械臂相比，电磁离合制动器的使用，使得锥齿轮的驱动作用在机械臂上产生多样的运动效果，而钢丝传动链保证了动力传动到机械臂的各个运动部位。

当电磁离合制动器处于不同挡位的时候，配合锥齿轮对动力传递方向的改变，能够驱动产生不同的运动效果。如图1中A制动器，两个挡位使臂部关节可以在两个垂直维度上进行运动，从而产生两个自由度；肘部B制动器挡位的改变可以驱动肘部产生一个自由度的运动；腕部锥齿轮和C、D两个制动器的组合，使腕部带动手部产生了2个维度上的运动，分别是手腕的上扬和手部的旋转。由此可见，机械手臂共实现5个自由度，由此便实现了机械臂用单一电机驱动5个自由度的设计。与传统的每个自由度单独设立电机驱动的方法相比整体重量更轻便，结构更简单，并增强了机械臂运动的灵活性。

外观设计

外观设计主要是考虑机器人外观的拟人化和服务方式人性化方面考虑。视图改善机器人及金属材质带给人的冰冷无情的特征。确立了机器人的设计方向后，用以下五种设计原则指导机器人的设计：（1）功能需求原则；（2）人机工学原则；（3）审美规律原则；（4）品牌一致性原则；（5）情感需求原则。最终方案如图2所示。

机器人设计高度为160 cm，与中国成年女性平均身高（159 cm，2011国家统计局公布数字）接近，这样既可以满足一定的高度要求，又不至于因太过高大产生压迫感。考虑到其功能用途和用户的情感接受程度，应当尽量减少机器人给用户带来的陌生感，所以在最后的方案中，外观多用曲面造型，并为机器人赋予了女性的性别特征，这在视觉和情感两方面为用户形成机器人平易近人的使用体验。在颜色上，采用红白搭配，有意模仿迎宾服装；此外造型上，头部两侧的突起是亮点之一，创新自中国古代的“双丫髻”和“卯发”发式，这类发式多用于宫廷侍女当中，与迎宾功能相契合，同时，“发髻”还是两个指示灯，用于夜间指示性照明。

结论

本案例在设计中采用了全新的设计思维和设计方法，设计融入了绿色设计思想。将构件的数量和重量均下降到了一个较低的层次；采用了新结构设计方案，提高迎宾动作执行效率，降低能源的消耗；具有便于维护和保养的结构。研发过程采用无纸化作业，充分利用现有机械设计、分析软件之间的接口技术，在保证产品质量的同时，加快了产品的开发速度。在造型中突破了以往机器人追求科技感的造型特点，力图用更加生活化的设计语言来诠释这一高科技产品，从而消除陌生感，增强人性化，为将来的机器人造型设计提供了一种值得参考的思路。