機(jī)器人學(xué)專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“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(shuō)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(chǎng)，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(dòng)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(guó)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(guó)內(nèi)還是一個(gè)新鮮事物，僅有少數(shù)的院校涉足這個(gè)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(guò)驗(yàn)收，是目前國(guó)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(duì)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(gè)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(shí)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(tái)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(guó)際上先進(jìn)的仿人機(jī)器人的自由度都在30個(gè)以上，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的各個(gè)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(shí)，不是簡(jiǎn)單地一件象衣服一樣的殼子把它包起來(lái)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下問(wèn)題： （1）安裝外殼后的仿人機(jī)器人不能影響原來(lái)的自由度。這要求對(duì)應(yīng)每一個(gè)自由度至少有一個(gè)外殼，相鄰的有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)之間必須有足夠的空間，在外殼設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)平穩(wěn)性和自如性的關(guān)系緊密，無(wú)論從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)還是選材上，各國(guó)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(kāi)拓機(jī)器人動(dòng)作范圍。因此在進(jìn)行機(jī)器人外殼設(shè)計(jì)時(shí)，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(tái)選擇 軟件——INVENTOR Autodesk Inventor軟件是美國(guó)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(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(shuō)極大的發(fā)揮了該軟件的這些特長(zhǎng)。對(duì)于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和外殼不是同時(shí)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(jí)了IntelliStation個(gè)人圖形工作站產(chǎn)品線。其中，IBM IntelliStation M Pro 6218系列個(gè)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(jí)、入門級(jí)個(gè)人圖形工作站的首選。 全新平臺(tái)、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(gè)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(guò)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(gè)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(duì)每一個(gè)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(duì)個(gè)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(tái)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(gè)部件都是由多個(gè)零件裝配而成，打開(kāi)一個(gè)部件裝配圖就意味著要打開(kāi)這個(gè)部件中的所有零件和所引用的標(biāo)準(zhǔn)件，通常其況下，無(wú)論在打開(kāi)、存盤或縮放視圖時(shí)，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(shí)間和系統(tǒng)資源，也可以先把沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)部件圖衍生成一個(gè)零件，并打斷與原來(lái)的聯(lián)系，這樣就可以把關(guān)節(jié)部件作為一個(gè)零件來(lái)調(diào)用，更為節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)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(kāi)全圖，經(jīng)過(guò)打斷關(guān)系處理，6218可以在10秒鐘內(nèi)完成整個(gè)操作過(guò)程。經(jīng)過(guò)處理后，無(wú)論包含多少個(gè)零件或特征的部件都可以在6218上作為一個(gè)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(duì)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(shí)螺釘外露問(wèn)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(guò)了INVENTOR認(rèn)證，支持OPENGL接口，在系統(tǒng)中的顯示效果非常好，無(wú)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(duì)稱的兩個(gè)側(cè)殼，中間連接部分由頭后殼、面罩及下巴殼三個(gè)弧面構(gòu)成。圖3是在裝配圖中利用原來(lái)的頭部裝配部件設(shè)計(jì)頭外殼1設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)程中的問(wèn)題往往集中在部件裝配和整機(jī)裝配時(shí)。對(duì)仿人機(jī)器人來(lái)說(shuō)也一樣，通過(guò)在計(jì)算機(jī)中對(duì)外殼和本體的裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，可以更好地檢查外殼的整體效果，同時(shí)為了檢查加上外殼的部件是否干涉運(yùn)動(dòng)。 這一過(guò)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是著色迅速，對(duì)于任意一個(gè)零件，無(wú)論是在模型樹(shù)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(duì)不同顏色及材料的外殼做對(duì)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(gè)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(shì)，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(lái)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(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，一來(lái)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(lái)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(tái)。