迎禮機器人頭路機械結(jié)構(gòu)設計

隨著經(jīng)濟、技術(shù)和科學的快速發(fā)展，用于第三產(chǎn)業(yè)的機器人數(shù)量顯著增加。迎賓機器人作為服務機器人的一種,具有廣闊的市場前景。迎賓機器人必須能與人進行自然、和諧的交互,才能實現(xiàn)其迎賓功能。而要實現(xiàn)與人之間的良好交互,表情溝通便不可避免。當前國際上針對仿人機器人的研究主要集中于機器人感知、仿人多指靈巧手、仿人步態(tài)以及自治行為等方面,對機器人的面部和表情的研究相對較少,技術(shù)上也相對匱乏。目前,在表情機器人方面,美國、日本的一些大學和研究所相對領(lǐng)先。如美國麻省理工學院的嬰兒機器人Kismet,具有視覺和聽覺,具有高興、沮喪、驚訝、疲倦、憤怒、等多種表情;日本早稻田大學的WE-4機器人可以表達中、喜、怒、厭、悲、恐、驚、羞、醉9種表情;此外,英國研制的嬰兒機器人I-Cub也能表達幾種基本表情。我國哈爾濱工業(yè)大學研制仿人頭像機器人H&Frobot-I,具有自然(中性)、喜、怒、哀、樂、驚訝、嚴肅、恐懼等8種基本面部表情。通過這些基本表情,可以實現(xiàn)機器人與人之間的良好溝通?？v覽已有的表情機器人,很多研究者采用仿人皮膚的方式來實現(xiàn)表情,由于技術(shù)不夠完善,實現(xiàn)的表情往往達不到預期效果。而卡通形象的機器人在一定程度上能很好地解決這個問題,卡通形象的機器人只要表情生動可愛、動作靈活,很容易得到大家的喜愛。1機器人的溫度調(diào)節(jié)及其組織思路迎賓機器人要實現(xiàn)常見的迎賓動作,如打招呼、點頭問候、歡迎、再見等,還可以做眨眼、轉(zhuǎn)頭、點頭、搖頭等情緒化表情。要實現(xiàn)這些迎賓要求,機器人就要具有搖頭、點頭、眨眼、眼珠轉(zhuǎn)動、嘴巴開合等基本動作,將這些基本動作進行合理的編排,便可以組成活潑生動的面部表情。就當前來看,機器人的表情實現(xiàn)方法主要有兩種:(1)從機械學的角度分析,人的表情主要依賴于眼睛、眼瞼、嘴巴的運動來實現(xiàn),如果將這幾個運動得以準確地實現(xiàn),再配合頸部的運動,就組成了機器人的各種表情,當然也就可以實現(xiàn)與人之間的良好溝通。(2)從仿生學角度出發(fā),采用仿人頭骨、仿人器官、仿人肌肉、仿人皮膚等構(gòu)成人頭部,用人工肌肉來驅(qū)動產(chǎn)生表情。綜合分析這兩種方法,第1種方法較易實現(xiàn),結(jié)構(gòu)也簡單可靠,但是表情的實現(xiàn)不太逼真;第2種方法可以產(chǎn)生與人類極為相似的面部表情,但需要較高的技術(shù)和特有的材料,較難實現(xiàn)?？紤]到所設計機器人的卡通形象,本次設計采用第一種方法。2機器人的東南角、下頜根據(jù)分析,設計的機器人頭部定為6個自由度。如圖1所示,分別為頸部點頭、頸部搖頭、下顎開合、眼睛左右轉(zhuǎn)動、眼睛上下轉(zhuǎn)動及眼瞼開合。通過這6個自由度的合理編排,可以基本實現(xiàn)機器人的迎賓功能。通過對真人的面部表情的觀察分析,用Pro/E對機器人頭部進行建模分析及運動模擬,初步制定各運動的技術(shù)指標,如表1所示。通過控制電機的轉(zhuǎn)速,可以實現(xiàn)不同的運動速度。3各機構(gòu)的詳細設計和驅(qū)動程序選擇3.1球轉(zhuǎn)動機構(gòu)的建模人的雙眼上下運動都是同向的,而雙眼左右運動多數(shù)是同向的,偶爾也會非同向運動,這種現(xiàn)象在日常生活中并不常見,本次設計的迎賓機器人眼球上下、左右運動均采用同步轉(zhuǎn)動形式,眼球轉(zhuǎn)動機構(gòu)共有2個轉(zhuǎn)動自由度,如圖2a所示。眼球左右轉(zhuǎn)動是通過電機驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)帶動左右眼球同步轉(zhuǎn)動;眼球上下轉(zhuǎn)動是通過電機驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu),使整個眼球機構(gòu)繞著中心連桿上下同步轉(zhuǎn)動。由于采用了四連桿機構(gòu)使運動不會產(chǎn)生死點,起到極限位保護的作用。運用Pro/E對上述機構(gòu)進行建模分析,眼睛左右轉(zhuǎn)動及眼睛上下轉(zhuǎn)動的位置、速度、加速度曲線如圖2b,c所示。通過眼睛上下、左右運動的合理配合,即可實現(xiàn)眼睛的多重運動,如雙目旋轉(zhuǎn)等。此外,通過在眼睛內(nèi)部放置攝像機,使機器人具有表情識別功能,也使機器人能夠更自然地與人交流。3.2雙眼底機構(gòu)設計人的眼瞼由上、下兩部分組成,其中上眼瞼運動范圍大,下眼瞼運動范圍很小。但鳥類卻是下眼瞼運動,上眼瞼不動?？傆[當前的仿人機器人,絕大多數(shù)采用單眼瞼機構(gòu),即只有上眼瞼。經(jīng)過具體分析及運動仿真,對比后發(fā)現(xiàn)采用上、下雙眼瞼機構(gòu)不僅使外貌美觀,表情動作的實現(xiàn)也更加活潑生動?？紤]所設計機器人的卡通形象,本次眼瞼設計以擬人形象為主,采用雙眼瞼機構(gòu),上眼瞼較大(約占整體的2/3),下眼瞼較小(約占整體的1/3),眼瞼開合機構(gòu)圖與仿真圖分別如圖3a,b所示。通過電機驅(qū)動主動齒輪,帶動上下兩個從動輪,從動輪上的偏心軸推動連桿機構(gòu)使得上下眼瞼做同步開合運動。運用Pro/E對上述機構(gòu)進行建模分析,上、下眼瞼運動的位置、速度、加速度曲線如圖3c所示。可以通過選用調(diào)速電機,改變眼瞼的開合速度。采用齒輪系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)上下眼瞼同步開合,節(jié)省了驅(qū)動;可通過改變上、下眼瞼推桿的長度,使機器人實現(xiàn)眨眼和沉思等表情,而且雙眼瞼機構(gòu)使表情更自然。3.3嘴唇閉合機構(gòu)的建立人有上下顎之分,上顎和頭蓋骨相連,固定不動,下顎是可以上下轉(zhuǎn)動的。下頜的運動可以帶動嘴唇的張合,實現(xiàn)機器人嘴巴開合的效果。下顎開合機構(gòu)如圖4a所示,通過電機驅(qū)動曲柄連桿機,帶動下巴轉(zhuǎn)動產(chǎn)生嘴巴開合的效果。運用Pro/E對上述機構(gòu)進行建模分析,下顎運動的位置、速度、加速度曲線如圖4b所示。通過下顎開合可以實現(xiàn)嘴部說話的動作,也可實現(xiàn)微笑等表情,并能配合語音系統(tǒng)實現(xiàn)語言功能。3.4機器人下頜機構(gòu)設計人的頸部運動由點頭、搖頭與擺頭3個自由度組成,在交流過程中,適時的頸部運動使表情更生動,溝通更自然?？紤]具體情況,只需點頭、搖頭2個自由度就可滿足項目要求,文中設計的機器人頸部有點頭、搖頭2個自由度。如圖5a,b所示,分別為頸部點頭和頸部搖頭機構(gòu)。點頭機構(gòu),通過電機驅(qū)動一個曲柄連桿機構(gòu),帶動機器人的整個頭部繞固定軸上下轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)點頭的動作。搖頭機構(gòu),由電機驅(qū)動一個小齒輪,使小齒輪繞著固定于機架上的大齒輪轉(zhuǎn)動,并帶動整個頭部繞著頸部旋轉(zhuǎn)。運用Pro/E對上述機構(gòu)進行建模分析,頸部點頭及搖頭運動的位置、速度、加速度曲線分別如圖5c,d所示。3.5機器人設備的整體配置綜上分析,卡通迎賓機器人頭部主要由眼球轉(zhuǎn)動機構(gòu)、眼瞼開合機構(gòu)、下顎開合機構(gòu)以及頸部轉(zhuǎn)動機構(gòu)組成,其頭部機構(gòu)總體布置如圖6所示。3.6學生下頜、下頜等機構(gòu)運動的范圍迎賓機器人的頭部尺寸是有限的,這就要求整個頭部機構(gòu)緊湊,也就是在一個有限的空間內(nèi),不僅要放置眼睛、眼瞼、下頜、頸部等運動機構(gòu),還要放置電機、驅(qū)動器、控制器等控制元件;頭部機構(gòu)運動的范圍較小,這就要求運動傳遞要準確,不能失真。綜合分析了各種驅(qū)動,文中設計的迎賓機器人頭部以直流電機為主,如眼睛轉(zhuǎn)動、眼瞼開合、下顎開合以及頸部上下轉(zhuǎn)動均選用直流電機。只有在頸部左右轉(zhuǎn)動上選用步進電機,主要是考慮到機器人搖頭時需要精確的位置控制。4中國臺灣地區(qū)機器人的傳動鏈文中所設計卡通機器人屬于一個工程項目,在很大程度上要考慮其成本和可靠性要求,表情功能也相對較少。此外,考慮到其特殊的卡通造型,表情機構(gòu)的設計與實現(xiàn)也與以往的擬人機器人稍有不同。總結(jié)起來,文中設計的各機構(gòu)傳動鏈如表2所示。文中設計的迎賓機器人頭部機構(gòu)多為曲柄連桿機構(gòu),主要是因為曲柄連桿機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、無死點等諸多優(yōu)點,使運動更加平穩(wěn)流暢;選用的驅(qū)動以直流電機為主,這是因為直流電機具有較好