2010-一款迎賓機器人的頭部結構設計_李素平.doc

機械設計第 27卷第 7期2 0 1 0 年 7 月 JOURNAL OF M ACH INE DES IGNV ol. 27 N o. 7 Ju l. 2010* 一款迎賓機器人的頭部結構設計李素平, 陳振華, 陳軍, 唐文彬(上海大學 機電工程與自動化學院, 上海200072)摘要: 介紹了一 款迎賓機器人的頭部機械結構設計, 迎賓機器人頭部有 眼睛、眼瞼、下顎、頸部 4個運 動模塊, 可以實現(xiàn) 6個運動自由度, 分別為眼睛上下轉(zhuǎn) 動、眼睛左右轉(zhuǎn)動、眼瞼開合運動、下顎開合運動、頸部點頭運動和 頸部搖頭運 動。詳細介紹了各運動部分的機械結構設計及運動學分析, 并給出了未來的工作方向。關鍵詞: 迎賓機器人頭部; 面部表情; 結構設計中圖分類號: TP24 2. 6文獻標識碼: A文章編號: 1001- 2354( 2010) 07- 0020- 05隨著經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展, 用于第三產(chǎn)業(yè)服務 等情緒化表情。要實現(xiàn)這些迎賓要求, 機器人就要具的機器人數(shù)量將會大大增加。迎賓機器人作為服務機 有搖頭、點頭、眨眼、眼珠轉(zhuǎn)動、嘴巴開合等基本動作,器人的一種, 具有廣闊的市場前景 1 。迎賓機器人必 1 。迎賓機器人必將這些基本動作進行合理的編排, 便可以組成活潑生須能與人進行自 然、和諧 的交互, 才能實現(xiàn)其迎賓功動的面部表情。能。而要實現(xiàn)與人之間的良好交互, 表情溝通便不可 就當前來看, 機器人的表情實現(xiàn)方法主要有兩種:避免。當前國際上針對仿人機器人的研究主要集中于( 1)從機械學的角度分析, 人的表情主要依賴于眼睛、機器人感知、仿人多指靈巧手、仿人步態(tài)以及自治行為眼瞼、嘴巴的運動來實現(xiàn), 如果將這幾個運動得以準確等方面, 對機器人的面部和表情的研究相對較少, 技術地實現(xiàn), 再配合頸部的運動, 就組成了機器人的各種表上也相對匱乏 2- 3 。目前, 在表情機器人方面, 美國、 2- 3 。目前, 在表情機器人方面, 美國、情, 當然也就可以實現(xiàn)與人之間的良好溝通。 ( 2)從日本的一些大學和研究所相對領先。如美國麻省理工學院的嬰兒機器人 K ism et, 具有視覺和聽覺, 具有高興、沮喪、驚訝、疲倦、憤怒、等多種表情仿生學角度出發(fā), 采用仿人頭骨、仿人器官、仿人肌肉、仿人皮膚等 構成人 頭部, 用人工肌肉來驅(qū)動產(chǎn)生表 4 ; 日本早稻田 2 - 3 。綜合分析這兩種方法, 第 1種方法較易實現(xiàn),情大學的 W E - 4機器人可以表達中、喜、怒、厭、悲、恐、 5結構也簡單可靠, 但是表情的實現(xiàn)不太逼真; 第 2種方驚、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 6 。我國哈爾濱工業(yè)大學 6 。我國哈爾濱工業(yè)大學法可以產(chǎn)生與人類極為相似的面部表情, 但需要較高研制仿人頭像機器人 H&F robot- ,I 具有自然 (中性 )、 的技術和特有的材料, 較難實現(xiàn)?？紤]到所設計機器喜、怒、哀、樂、驚 訝、嚴肅、恐懼 等 8 種基本面部表 人的卡通形象, 本次設計采用第一種方法。情 7 。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2機器人頭部自由度及技術指標確定膚的方式來實現(xiàn)表情, 由于技術不夠完善, 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。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。1功能要求及實現(xiàn)原理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 動的技術指標, 如表 1所示。通過控制電機的轉(zhuǎn)速, 可迎賓機器人要實現(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、搖頭以實現(xiàn)不同的運動速度。* 收稿日期: 2009- 04- 03; 修訂日期: 2010- 01- 15基金項目: 上海市科學技術委員會資助項目 ( 09111101000 )作者簡介: 李素平 ( 1983 ), 女, 河南臺前人, 工學碩士, 研究方向: 仿人機器人。 2010年 7月 李素平, 等: 一款迎賓機器人的頭部結 構設計 21圖 1 機器人頭部自由度圖表 1 機器人頭部運動技術指標運動名稱運動范圍 /( )最大運動速度 /(次 /m in)( b) 眼球左右轉(zhuǎn)動曲線頸部搖頭運動 - 30 + 30 20頸部點頭運動 0 - 20 20眼睛左右轉(zhuǎn)動 - 25 + 25 30眼睛上下運動 - 25 + 25 30眼瞼開合運動上 眼瞼 0 + 45下 眼瞼 0 - 3540下顎開合運動 0 - 30 303各機構詳細設計及驅(qū)動選擇( c) 眼球上下轉(zhuǎn)動曲線1 加速度曲線 ( mm / s2 ); 2 位置曲線 ( mm) ;3. 1眼球轉(zhuǎn)動機構及運動分析3 速度曲線 ( mm / s)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、左圖 23. 2眼瞼開合機構及運動學分析 人的眼瞼由上、下兩部分組成, 其中上眼瞼運動范右運動均采用同步轉(zhuǎn)動形式, 眼球轉(zhuǎn)動機構共有 2 個 圍大, 下眼瞼運動范圍很小。但鳥類卻是下眼瞼運動,轉(zhuǎn)動自由度, 如圖 2a所示。眼 球左 右轉(zhuǎn)動 是通 過電 上眼瞼不動?？傆[當前的仿人機器人, 絕大多數(shù)采用機驅(qū)動曲柄連桿機構帶動左右眼球同步轉(zhuǎn)動; 眼球 單眼瞼機構, 即只有上眼瞼。經(jīng)過具體分析及運動仿上下轉(zhuǎn)動是通過電機驅(qū)動曲柄連桿機構, 使整個眼真, 對比后發(fā)現(xiàn) 采用上、下雙眼瞼機構 不僅使外貌美 球機構繞著中心連桿上下同步轉(zhuǎn)動。由于采用了四 觀, 表情動作的實現(xiàn)也更加活潑生動。考慮所設計機連桿機構使運動 不會 產(chǎn)生死 點, 起到極限位保護的器人的卡通形象, 本次眼瞼設計以擬人形象為主, 采用 作用。 雙眼瞼機構, 上眼瞼較大 (約占整體的 2 /3), 下眼瞼較運用 Pro /E對上述機構進行建模分析, 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 小 (約占整體的 1 /3), 眼瞼開合機構圖與仿真圖分別2b, c所示。通過眼睛上下、左右運動的合理配合, 即 如圖 3a, b所示。通過電機驅(qū)動主動齒輪, 帶動上下兩可實現(xiàn)眼睛的多重運動, 如雙目旋轉(zhuǎn)等。此外, 通過在 個從動輪, 從動輪上的偏心軸推動連桿機構使得上下眼睛內(nèi)部放置攝像機, 使機器人具有表情識別功能, 也 眼瞼做同步開合運動。使機器人能夠更自然地與人交流。 運用 Pro /E 對上述機構進行建模分析, 上、下眼瞼運動的位置、速度、加速度曲線如圖 3c所示?？梢酝ㄟ^選用調(diào)速電機, 改變眼瞼的開合速度。采用齒輪系結構, 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, 而且雙眼瞼機構使表情更自然。3. 3下顎開合機構及運動學分析( a) 眼球轉(zhuǎn)動 機構圖 人有上下顎之分, 上顎和頭蓋骨相連, 固定不動,22 機械設計 第 27卷第 7期 下顎是可以上下轉(zhuǎn)動的。下頜的運動可以帶動嘴唇的 所示。張合, 實現(xiàn)機器人嘴巴開合的效果。下顎開合機構如圖 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( a) 下顎開合機構圖合可以實現(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。 ( a) 眼瞼開合機構圖( b) 眼瞼 開合仿真圖( b)下顎位置、速度、加速 度曲線圖 43. 5機器人頭部整體布局綜上分析, 卡通迎賓機器人頭部主要由眼球轉(zhuǎn)動機構、眼瞼開合機構、下顎開合機構以及頸部轉(zhuǎn)動機構組成, 其頭部機構總體布置如圖 6所示。( c) 上下眼瞼位置、速 度、加速度曲線圖 33. 4頸部機構( a) 頸部上下運動機構圖( b) 頸部左右 運動圖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。考慮具體情況, 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。點頭機構, 通過電機驅(qū)動一個曲柄連桿機構, 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, 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1加速度曲線 (mm /s2 ); 2位置曲線 (mm );部繞著頸部旋轉(zhuǎn)。3速度曲線 ( mm /s)( c) 頸部上下運動位置、速度、加速度曲線運用 Pro /E對上述機構進行建模分析, 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 2010年 7月 李素平, 等: 一款迎賓機器人的頭部結 構設計 23機械特性和調(diào)節(jié)特性、調(diào)速范圍廣、啟動平穩(wěn)、壽命長、噪聲小等優(yōu)點。表 2機器人頭部各機構傳動鏈機 構名稱 傳動鏈頸部 搖頭機構 步進電 機 - 減速器 - 齒輪傳動裝置頸部 點頭機構 直流伺服 電機 - 減速器 - 曲柄連桿機構眼睛左 右轉(zhuǎn)動機構 直流伺服 電機 - 減速器 - 曲柄連桿機構眼睛上 下運動機構 直流伺服 電機 - 減速器 - 曲柄連桿機構眼瞼開 合運動機構 直流伺服 電機 - 減速器 - 齒輪傳動裝置1加速度曲線 (mm /s2 ); 2位置曲線 (mm );3速度曲線 ( mm /s)下顎 開合運動 直流伺服 電機 - 減速器 - 曲柄連桿機構迎賓機器人今后的的工作主要是進一步完善機器人的表情, 如添加眉毛機構、嘴唇機構等, 使機器人實 ( d) 頸部左右運動位置、速度、加速度曲線現(xiàn)更豐富的表情; 研究機器人表情實現(xiàn)的控制部分, 使 圖 5頸部機構和運動曲線圖機器人準確完成多種表情; 完成一個研究性的機器人平臺, 可以進一步擴充其視覺識別功能等、表情識別功能、語音識別功能。參考文獻 1 張也弛. 服務型機器人產(chǎn) 品造型設計 研究 D . 遼寧: 吉林大學, 200 6. 2 于爽, 張永德. 一種仿 人機器 人面部的 結構設 計 J. 機圖 6頭部機構圖械科學與技術, 2004( 2) : 196- 20 3.3. 6驅(qū)動選擇迎賓機器人的頭部尺寸是有限的, 這就要求整個頭部機構緊湊, 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, 還要放置電機、 3 羅旆晅. 機器人仿生面部的表情模型研究 D . 哈爾濱:哈爾濱理工大學, 20 04: 1- 16. 4 Breazeal C. M o tivationa l syst em for regu la ting hum an- robo tin teraction C / /P roceedings of the N ationa l Con feren ce on驅(qū)動器、控制器等控制元件; 頭部機構運動的范圍較A rtific ia l In telligen ce, 19 98: 54- 61.小, 這就要求運動傳遞要準確, 不能失真。 5 H lroyasu M wi a. D evelopm ent of a new hum an l ike head r o-綜合分析了各種驅(qū)動, 文中設計的迎賓機器人頭bot w e4 C / /P roceed ing s of 2002 IEE ER /SJ inte rnational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conference on in tellig ent robo ts and sysetm s: 2443448IEEE, ICR A, 2 000: 2243- 225 7. 6 Be ira R, LopesM, P raga M, et a.l Des ign of the robo-t cub( iCub) head C / /P roceedings of the 2006 IEE E In tern a-要精確的位置控制。tional Conference on Robotics and A u tom at ion O rlan do,F lor ida, 200 6: 94- 1 00.4結論及未來工作 7 鹿麟, 吳偉國, 孟慶梅. 有視覺及面部表情 的仿人頭 像機器人系 統(tǒng) 設 計 與 研 制 J . 機 械 設 計, 200 7, 24 ( 7 ):20- 23.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S tructu ral design of a gu est-greet ing robots h ead 對較少。此外, 考慮到其特殊的卡通造型, 表情機構的L I Su-p in g, CH EN Zhen-hua, CH EN Jun, T ANG W en- b in設計與實現(xiàn)也與以往的擬人機器人稍有不同。總結起( Co llege of M echan ical Eng ineering an d Autom a- 來, 文中設計的各機構傳動鏈如表 2所示。tion, Shanghai Un ivers ity, Shanghai 20 0072, Ch ina)文中設計的迎賓機器人頭部機構多為曲柄連桿機A bstrac:t In th is paper, the h ead stru ctu ral des ign構, 主要是因為曲柄連桿機構具有結構簡單、運行平of a guest-greeting rob ot is in trodu ced. There are four m o-穩(wěn)、無死點等諸多優(yōu)點, 使運動更加平穩(wěn)流暢; 選用的tion m odules on its h ead, inc lud ing ey es, eyelids, jaw驅(qū)動以直流電機為主, 這是因為直流電機具有較好的 and neck. And its head c an a ch ieve six degrees of f reedom: 第 27卷第 7期 2 0 1 0 年 7 月機械設計JOURNAL OF M ACH INE DES IGNV ol. 27 N o. 7 Ju l. 2010* 零件失效相關表決系統(tǒng) Copu la可靠性模型唐家銀1, 2, 趙永翔2, 何平1, 王沁1, 宋冬利2( 1. 西南交通大學 數(shù)學學院, 四川 成都610031; 2. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都610031)摘要: 零部件失效相關是降低冗余系統(tǒng)可靠性的重要原因。從分解零部件失效相關結構和壽命邊緣 分布的角度, 綜合考慮了 k /n( G )表決系統(tǒng)中導致失效相關的兩類因素: 共因失效和從屬 失效。運用 Copu la函 數(shù)的相關 性理論, 建立了零部件失效相關的 k /n ( G )系統(tǒng)可靠度計算模型。因為無需確定零部件壽命向量 的聯(lián)合密度函數(shù), 且用低重差分 運算替代了多重積分運算, 反映了模型的簡捷性和實用 性。通過 系統(tǒng)可靠 度隨零 部件數(shù) 目的變 化曲線, 驗證 了 Copula可 靠度理論的合理性; 給出了模型中相關程度參數(shù)估計的兩種統(tǒng)計方法。最后, 算 例說明了模型的有效性。關鍵詞: C opula; 失效壽 命; 相關性; k /n ( G )表決系統(tǒng); 可靠度計算; 相關程度參數(shù)中圖分類號: TB 114. 3; T B115文獻標識碼: A文章編號: 1001- 2354( 2010) 07- 0024- 06k /n(G ) 表決系統(tǒng)是提高系統(tǒng)可靠性的一種冗余 但相關是系統(tǒng)失效的普遍特征, 忽略零件間失效相關方式, 在工程實踐中經(jīng)常得到應用。目前經(jīng)典文獻 1-性, 常導致可靠性結果過大誤差, 甚至錯誤結論 11- 12 。 11- 12 。5 對表決系統(tǒng)可靠度的分析計算均以零部件失效相 表決系統(tǒng)中導致零部件失效相關的原因有兩類: 由突互獨立為基礎, 建立獨立性模型: 發(fā)事件、環(huán)境的變化 (如流體沖擊、腐蝕、振動、溫度、nR k /n(G ) ( t) = k /n(G ) ( t) = r= knrRr n- r ( 1)i ( t) 1 - R i ( t) 操作失誤等引起的共因失效; 由零件失效, 造成存活零部件的工作環(huán)境劣化、載荷增大, 從而使其失效率增大但實際工程中, 由于影響表決系統(tǒng)可靠性的因素的從屬失效 13 。 13 。諸多, 該模型過于粗略、理想化。近年來, 國內(nèi)外學者不 考慮零件失效相關性的 k /n ( G) 表決系統(tǒng)可靠性斷嘗試對表決系統(tǒng)可靠性分析進行深入研究, 以使之 6 假設所有零部件工作更符合各類實際應用。Zhang和修理時間均服從指數(shù)分布, 利用幾何過程、向量馬爾 度時引入環(huán)境因素變量, 但該因素變量的密度函數(shù)難科夫過程和排隊理論得到帶有可維修性維修設備的k /n( G ) 系統(tǒng)可靠性指標。Selm a 7 利用條件期望討論 7 利用條件期望討論零部件壽命獨立、但不同一分布、載荷不均等 的 8 將零件二狀態(tài)k /n( G ) 表決系統(tǒng)的平均壽命函數(shù)。L i(正常 /失效 ) 推廣至多狀態(tài), 以每個零部件的有效度為權重, 采用遞歸算法和泛生成函數(shù)來估算多狀態(tài)權 9 10 和冷 還分別探討重的 k /n ( G) 系統(tǒng)可靠度。Luk /n( G ) 系統(tǒng)的最優(yōu)化配置問題和其模糊可靠度。文獻 1 - 10 均以零部件失效相互獨立為條件, 14 針對共同工作環(huán)境對研究越來越受到關注。S erk an系統(tǒng)零部件壽命產(chǎn)生相關影響, 從而在計算系統(tǒng)可靠以確定。謝里陽等 15 建立的表決系統(tǒng)失效概率模型考 15 建立的表決系統(tǒng)失效概率模型考慮了共因失效的影響, 卻未涉及從屬失效因素, 即把零件壽命變量作獨立處理。周金宗 等 16 針對載荷全相 16 針對載荷全相關、強度獨立的同分布表決系統(tǒng), 基于相關系數(shù) , 給