機(jī)器人學(xué)專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。在科幻小說和電影中，機(jī)器人都是具有像人一樣外形、體能比人強(qiáng)大、可以受人操作的一種機(jī)器。但在各地活躍的工業(yè)機(jī)器人或是大多以工業(yè)機(jī)器人為主，工業(yè)機(jī)器人是為生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，為了適應(yīng)各種不同的應(yīng)用現(xiàn)場，其形狀多種多樣。仿人機(jī)器人不同一般意義上的工業(yè)機(jī)器人，它是一種形狀與人類似、具有移動功能、操作功能、感知功能、記憶和自治能力能夠與人交流的一種智能機(jī)器。 目前，中國機(jī)器人應(yīng)用范圍遍及汽車、工程機(jī)械、電子和電氣裝配以及家電等行業(yè)，形成了弧焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等及周邊裝備系列產(chǎn)品，而仿人機(jī)器人在國內(nèi)還是一個新鮮事物，僅有少數(shù)的院校涉足這個領(lǐng)域。2002年年底，北京理工大學(xué)研制的仿人機(jī)器人BHR－01通過驗(yàn)收，是目前國內(nèi)仿人機(jī)器人研究的重大突破。作為工業(yè)機(jī)器人，人們對其的要求更多的是在功能方面，這種機(jī)器人以各種各樣的形象存在于這個世界上。以模仿人類為目的的仿人機(jī)器人在外觀大都與人類相仿。作為仿人機(jī)器人的外殼，其作用是使仿人機(jī)器人的外觀更易為人類所接受，盡可能地隱藏它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制部分，同時具有防塵作用。 仿人機(jī)器人的外殼設(shè)計(jì)與軟硬件平臺選擇 外殼設(shè)計(jì)　　 仿人機(jī)器人是由許多關(guān)節(jié)構(gòu)成，目前國際上先進(jìn)的仿人機(jī)器人的自由度都在30個以上，在運(yùn)動時，它的各個關(guān)節(jié)必須互不干涉，設(shè)計(jì)外殼必須是在充分了解仿人機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)及其所有自由度的基礎(chǔ)上進(jìn)行。所以設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人外殼時，不是簡單地一件象衣服一樣的殼子把它包起來。在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮以下問題： （1）安裝外殼后的仿人機(jī)器人不能影響原來的自由度。這要求對應(yīng)每一個自由度至少有一個外殼，相鄰的有相對運(yùn)動的關(guān)節(jié)之間必須有足夠的空間，在外殼設(shè)計(jì)時一定要考慮使外殼盡可能與原零部件緊貼。 　 （2）盡可能減少外殼的重量。仿人機(jī)器人的重量與其運(yùn)動平穩(wěn)性和自如性的關(guān)系緊密，無論從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)還是選材上，各國的機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)都力圖減輕仿人機(jī)器人的重量，從而進(jìn)一步開拓機(jī)器人動作范圍。因此在進(jìn)行機(jī)器人外殼設(shè)計(jì)時，在保證外殼與本體連接的前提下，應(yīng)考慮盡可能選擇較輕的材料。 　 （3）在保證功能的前提下，外殼設(shè)計(jì)應(yīng)考慮美觀。 　 （4）方便拆裝。 （5）考慮加工成本。 軟硬件平臺選擇 軟件——INVENTOR Autodesk Inventor軟件是美國AutoDesk公司于1999年底推出的三維可視化實(shí)體模擬軟件，目前已推出最新版本INVENTOR 10，實(shí)驗(yàn)室使用的是INVENTOR 6。從最初的草圖到最后的工程圖，Inventor為設(shè)計(jì)人員提供了執(zhí)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)所需的所有工具[3]，它包含三維建模、信息管理、協(xié)同工作和技術(shù)支持等各種特征。使用Autodesk Inventor可以創(chuàng)建三維模型和二維制造工程圖、可以創(chuàng)建自適應(yīng)的特征、零件和子部件，還可以管理上千個零件和大型部件，它的“連接到網(wǎng)絡(luò)”工具可以使工作組人員協(xié)同工作，方便數(shù)據(jù)共享和同事之間設(shè)計(jì)理念的溝通。與其它同類產(chǎn)品相比，Inventor在用戶界面簡單，三維運(yùn)算速度和著色功能方面有突破的進(jìn)展。它是建立在ACIS三維實(shí)體模擬核心之上，設(shè)計(jì)人員能夠簡單迅速地獲得零件和裝配體的真實(shí)感，這樣就縮短了用戶設(shè)計(jì)意圖的產(chǎn)生與系統(tǒng)反應(yīng)時間的距離，從而最小限度的影響設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意和發(fā)揮。 Inventor首次在三維模擬和裝配中使用自適應(yīng)的技術(shù)，零件及其特征可以自動適應(yīng)另一零件，從而保證這些零件能夠相互吻合。由于外殼設(shè)計(jì)是在原機(jī)器人的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的，選擇Inventor軟件，可以說極大的發(fā)揮了該軟件的這些特長。對于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和外殼不是同時進(jìn)行或不是同一設(shè)計(jì)者的工程，大地減輕了外殼設(shè)計(jì)者的工作量。 硬件——IBM IntelliStation M Pro 6218圖形工作站 2005年底、2006年初，隨著INTEL i955X芯片組和新型處理器的誕生，IBM依慣例升級了IntelliStation個人圖形工作站產(chǎn)品線。其中，IBM IntelliStation M Pro 6218系列個人圖形工作站采用了INTEL i955X芯片組和新的6××、9××奔騰4處理器，不僅在性能上更上層樓，且具備了一系列的新功能，成為部件級、入門級個人圖形工作站的首選。 全新平臺、全新性能IBM IntelliStation M Pro 6218系列 M Pro 6218系列是IBM公司基于全新Intel i955X芯片組推出的新型個人圖形工作站，基于新的芯片組、處理器，靈活搭配處理器、內(nèi)存和專業(yè)圖卡，M Pro 6218系列的性能和功能大為增強(qiáng)，可以完成從零件設(shè)計(jì)到復(fù)雜部件設(shè)計(jì)的各種復(fù)雜度的工作。筆者使用的M Pro 6218的配置情況如表1所示。 設(shè)計(jì)過程 仿人機(jī)器人的外殼可以分為頭、軀干、上肢、下肢及足五大部分，每一部分根據(jù)其自由度的關(guān)系可分為若干組成零件。如上肢殼除手外，共有7個自由度，其外殼主要由肩部外殼、大臂殼、肘關(guān)節(jié)殼、小臂殼、腕關(guān)節(jié)殼組成。對每一個外殼，先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)后，根據(jù)工藝要求和安裝連接再對個別不易加工的外殼進(jìn)行分離。 下面以仿人機(jī)器人頭殼設(shè)計(jì)為例，介紹利用軟硬件平臺進(jìn)行外殼件設(shè)計(jì)的一般步驟。 （1）部件衍生零件 仿人機(jī)器人的每一個部件都是由多個零件裝配而成，打開一個部件裝配圖就意味著要打開這個部件中的所有零件和所引用的標(biāo)準(zhǔn)件，通常其況下，無論在打開、存盤或縮放視圖時，受內(nèi)存和顯存的限制，速度很慢。但是，由于6218配備了2GB的高速DDR2 677內(nèi)存，系統(tǒng)的處理速度大為提高。當(dāng)然，為了節(jié)省時間和系統(tǒng)資源，也可以先把沒有相對運(yùn)動的關(guān)節(jié)部件圖衍生成一個零件，并打斷與原來的聯(lián)系，這樣就可以把關(guān)節(jié)部件作為一個零件來調(diào)用，更為節(jié)省設(shè)計(jì)的時間。具體操作如圖1所示。 事實(shí)證明，不作調(diào)整情況下，6218可以在1分鐘內(nèi)打開全圖，經(jīng)過打斷關(guān)系處理，6218可以在10秒鐘內(nèi)完成整個操作過程。經(jīng)過處理后，無論包含多少個零件或特征的部件都可以在6218上作為一個零件調(diào)用，速度快多了。 （2）在裝配圖中利用投影工具設(shè)計(jì)外殼零件 外殼設(shè)計(jì)是針對某一零件或部件的，外殼件與零部件有裝配關(guān)系。除此之外，考慮到外殼與本體是可拆的固定連接方式，我們選用了用月芽槽和螺母的配合方式，既方便外殼的拆裝，又避免兩者連接時螺釘外露問題。圖2為裝配外殼后的頭部，圖3（a）則是未裝配外殼的機(jī)器人頭部。6218的圖卡經(jīng)過了INVENTOR認(rèn)證，支持OPENGL接口，在系統(tǒng)中的顯示效果非常好，無論是半透明、透視、投影還是現(xiàn)況渲染圖，都能滿足要求。 仿人機(jī)器人頭部外殼有對稱的兩個側(cè)殼，中間連接部分由頭后殼、面罩及下巴殼三個弧面構(gòu)成。圖3是在裝配圖中利用原來的頭部裝配部件設(shè)計(jì)頭外殼1設(shè)計(jì)過程。由于裝備體的特征比較復(fù)雜，且零件較多，在圖形質(zhì)量調(diào)節(jié)到最高后，6218系統(tǒng)稍稍有些拖慢，但是還能接受。 （3）從總裝圖看整體效果和干涉檢查 機(jī)械產(chǎn)品的研制過程中的問題往往集中在部件裝配和整機(jī)裝配時。對仿人機(jī)器人來說也一樣，通過在計(jì)算機(jī)中對外殼和本體的裝配和運(yùn)動仿真，可以更好地檢查外殼的整體效果，同時為了檢查加上外殼的部件是否干涉運(yùn)動。 這一過程需要將機(jī)器人的全部部件導(dǎo)入系統(tǒng)，如圖4所示是加裝外殼的機(jī)器人在Inventor中的三種姿態(tài)。。Inventor的一個主要優(yōu)點(diǎn)就是著色迅速，對于任意一個零件，無論是在模型樹中還是在裝配圖中只選中它，就可以在工具欄中拾取材料和色彩改變它的顏色，這樣可以對不同顏色及材料的外殼做對比，以確定最終方案。而6218的圖形性能很好的表現(xiàn)出了這個特點(diǎn)，如圖4所示，所有模型的材質(zhì)非常真實(shí)，且能非常迅速的在線框和渲染模式下轉(zhuǎn)換。 由于內(nèi)存和處理器性能方面的優(yōu)勢，在6218上很好地支持了Inventor視圖的縮放和視圖旋轉(zhuǎn)功能，使設(shè)計(jì)者來可以從任意方位看零件或部件總裝圖。 總結(jié) 仿人機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)和外殼設(shè)計(jì)工程量巨大，充分發(fā)揮了Inventor軟件的實(shí)體建模及協(xié)同工作的特點(diǎn)，也充分挖掘了IBM M PRO 6218的性能潛力，對設(shè)計(jì)人員來說，一來可以盡情發(fā)揮自己的想象，不至于受硬件和軟件性能、功能的影響；二來大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，為設(shè)計(jì)工作的合作和延續(xù)提供了很好的平臺。