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【摘要】机器人是人类在发展智能化过程中重要的产物，是人类完成智能化中非常重要的工具，在越来越多的领域，机器人代替着人类的劳动，发挥着日益重要的作用。随着机器智能化的推广，机器人的设计在未来会有更广阔的天空。本文探讨了优化机器人设计的措施。
【关键词】机器人；结构；设计；措施
纵观人类的发展史，工具的进步才能带动人类的文明，如今设计朝着智能化的方向在发展，机器人就是人类在发展智能化过程中重要的产物，因此机器人常用的设计方法是设计师们必备的工具。机器人是人类完成智能化中非常重要的工具，随着时代的发展，机器人已经在世界有了一定的发展，甚至很多国家机器人已经运用到实际的生活中去。
一、机器人发展概述
工业机器人诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展。我国机器人研究开始于20世纪70年代，至今已有40多年的发展。
改革开放后，随着我国经济的快速发展，企业科学技术水平得到了不断提高，大量外资企业和合资企业的出现，对机器人的需求很大，特别是汽车制造业的快速发展，我国工业机器人得到了快速的发展，应用范围也很广泛。机器人的设计需要多种学科的整合与运用，才能够实现，它是一种典型的集合机械、电子、自动控制等学科结合的产物，实际上，它是一种仿人操作、自动控制、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。在现代社会中，经济的发展促进了高层建筑的增多，高空作业日益增多，高空作业的高度危险性，使得机器人在这个领域得到了日益广泛的应用。
机器人在本质上属于一种新型的机械结构，在计算机技术出现之后，机器人技术快速的发展起来。与传统的机械相比，机器人的机动性/灵活性强，工作效率高出很多，因此在各个领域得到了广泛的应用。机器人的诞生，以及其快速的发展和广泛的应用，引发了工业生产领域的巨大变革，不但使传统的工业生产旧貌换新颜，发生了翻天覆地的变化，而且在很大程度上改变了人类社会的生产和生活，产生了极其深远的影响。随着社会经济的发展，科学技术的进步，机器人的应用领域在日益广泛，从自动化的工业生产线，到深入海底世界进行海洋资源的探索，从高空作业到机械化工业生产，乃至太空作业等领域，都活跃着机器人的身影。目前，在越来越多的领域，机器人代替着人类的劳动，发挥着日益重要的作用。特别是在工业生产领域，对机器人的依赖程度日益提高。
二、优化机器人设计的措施
为了降低机器人的重量，并且提高机器人结构的刚度，与传统的机械结构设计相比，机器人的结构设计有着更高的要求。在进行机器人的设计过程中，要根据机器人的用途，进行针对性的设计，其中，采取措施优化机器人的结构最为重要。
（1）做好机器人的结构设计。机器人的结构设计，大多数为空心矩形截面，材料由铝材加工而成。机器人基本框架的搭建，由连接件和角撑支架来实现。常见的机器人联接结构，主要有扣接零件、铆接、胶接、胶带、焊接等，不同的联接结构，有着不同的应用领域，一般根据机器人应用领域的不同，来设计其具体的联结结构，从而确定最后的设计方案。例如，伴舞机器人由于自身的重量轻，负载比较小，对使用时间的长短要求不高，因此，在伴舞机器人的结构设计上，要选择有一定强度和刚度的结构，还要考虑抗摩擦磨损性的机构。在机械连接方面，在伴舞机器人做舞蹈动作的过程中，要保证机器人的各种接插件要灵活，而且不能松动，更不能脱落，以满足伴舞机器人各种动作的需要，所以，伴舞机器人的结构要具有较好的坚固性，适合选择铆接的方式。
（2）优化机器人的手臂设计。机器人很多动作的完成，都要依赖手臂。手臂设计的越灵活，机器人的自由度就越大，所做的动作就越精细。机器人的手臂设计越接近人类的灵活程度，其完成的任务就越高级，可完成比较复杂精细的动作。机器人的手臂设计，通常由一根横杆构成，在横杆的两端，分别固定机器人左右手的两个电机。这样，机器人就可做前后360度的旋转。固定机器人的头部电机，固定在横杆的中间，头部电机可带动机器人的头部做360度的旋转。此外，机器人手臂的机构，还可以继续优化和扩展，在机器人的肩部上和臂末端，可以再扩展2个电机，从而使机器人实现3个自由度的动作。为了防止机器人手臂旋转过度，而导致其动作错乱，可参考机器人左右转腰机构的设计，在机器人手臂转动限定角度内，装上限位开关，从而使机器人实现动作的一致性，避免出现动作错乱的情况。
（3）优化机器人弯腰机构的设计。机器人要具有一定 的运动灵活性，弯腰机构的设计不可忽视。机器人弯腰机构的设计设计思路，考虑到机器人的腰部主要承接了机器人身体上部的重量，在设计弯腰机构的时候，最好使腰部能做到水平的转动，如果机器人腰部不能做到水平的转动，会使机器人整个身体的平衡受到很大影响，可能会导致机器人摔倒，因此，在机器人腰部转动的设计中，要尽量减少可变的环节，直接使用电机实现弯腰。而电机经传动其他机构，最后带动腰部的转动方式，由于可变的环节比较多，影响机器人身体的平衡，所以不建议采用。
（4）利用传感器技术实现机器人的感觉系统。机器人的语音识别等功能，制作机器人硬件的难点，因为它要求机器人具有一定的感觉系统。随着科技的发展，机器人设计和制造技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术来实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，最后单片机发出命令，来指挥机器人的动作。计算机软件编程可以增加机器人的多种功能，使机器人的动作更加丰富和完善。
（5）做好机器人动作的编辑。机器人动作的编辑，最显著的特征是机器人的步调、节奏和动作幅度的大小，反映在机器人上，就是如何控制机器人的各個关节的电机转动的快慢，转动的时间，以及转动的角度。在设计机器人的动作时，必须先设计好机器人的每个动作，通过电机的滑块，来实时观察关节的位置是否合适，若合适的话，就把这个动作数据添加到数据库模块的动作表中，然后再调试下一个动作。如此反复，直到把所有的动作都编排好。之后把动作数据表下载到单片机中，由单片机来控制各个关节，顺序执行动作表中的各个动作。要设计出一套完整的动作，需要反复调试才能完成，不但要对人类的动作进行细致入微的观察，而且要把其转变成对机器人关节的控制，从而实现完美的效果。
总之，工业机器人作为机器人产业当中应用最为广泛的领域，是机器人产业链条当中最重要的角色，工业机器人代替人工是制造业的大势所趋。随着机器智能化的推广，机器人的设计在未来会有更广阔的天空。
参考文献
[1]宋红生，王东署.仿生机器人研究进展综述[J].机床与液压，2012年13期.
[2]胡勇.基于被动性和欠驱动性的双足机器人运动控制研究[D].浙江大学，2012年.
[3]付根平，杨宜民，李静.仿人机器人的步行控制方法综述及展望[J].机床与液压，2011年23期.
[4]李任江，黄留山.粉尘采样器自动换膜装置的仿真研究[J].长春工业大学学报（自然科学版），2013年06期.
[5]文怀兴，柳建华，鲁剑啸.基于ADAMS的夹持机械手虚拟设计及其结构优化[J].机械设计与制造，2010年03期.
【关键词】机器人；结构；设计；措施
纵观人类的发展史，工具的进步才能带动人类的文明，如今设计朝着智能化的方向在发展，机器人就是人类在发展智能化过程中重要的产物，因此机器人常用的设计方法是设计师们必备的工具。机器人是人类完成智能化中非常重要的工具，随着时代的发展，机器人已经在世界有了一定的发展，甚至很多国家机器人已经运用到实际的生活中去。
一、机器人发展概述
工业机器人诞生于20世纪60年代，在20世纪90年代得到迅速发展。我国机器人研究开始于20世纪70年代，至今已有40多年的发展。
改革开放后，随着我国经济的快速发展，企业科学技术水平得到了不断提高，大量外资企业和合资企业的出现，对机器人的需求很大，特别是汽车制造业的快速发展，我国工业机器人得到了快速的发展，应用范围也很广泛。机器人的设计需要多种学科的整合与运用，才能够实现，它是一种典型的集合机械、电子、自动控制等学科结合的产物，实际上，它是一种仿人操作、自动控制、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。在现代社会中，经济的发展促进了高层建筑的增多，高空作业日益增多，高空作业的高度危险性，使得机器人在这个领域得到了日益广泛的应用。
机器人在本质上属于一种新型的机械结构，在计算机技术出现之后，机器人技术快速的发展起来。与传统的机械相比，机器人的机动性/灵活性强，工作效率高出很多，因此在各个领域得到了广泛的应用。机器人的诞生，以及其快速的发展和广泛的应用，引发了工业生产领域的巨大变革，不但使传统的工业生产旧貌换新颜，发生了翻天覆地的变化，而且在很大程度上改变了人类社会的生产和生活，产生了极其深远的影响。随着社会经济的发展，科学技术的进步，机器人的应用领域在日益广泛，从自动化的工业生产线，到深入海底世界进行海洋资源的探索，从高空作业到机械化工业生产，乃至太空作业等领域，都活跃着机器人的身影。目前，在越来越多的领域，机器人代替着人类的劳动，发挥着日益重要的作用。特别是在工业生产领域，对机器人的依赖程度日益提高。
二、优化机器人设计的措施
为了降低机器人的重量，并且提高机器人结构的刚度，与传统的机械结构设计相比，机器人的结构设计有着更高的要求。在进行机器人的设计过程中，要根据机器人的用途，进行针对性的设计，其中，采取措施优化机器人的结构最为重要。
（1）做好机器人的结构设计。机器人的结构设计，大多数为空心矩形截面，材料由铝材加工而成。机器人基本框架的搭建，由连接件和角撑支架来实现。常见的机器人联接结构，主要有扣接零件、铆接、胶接、胶带、焊接等，不同的联接结构，有着不同的应用领域，一般根据机器人应用领域的不同，来设计其具体的联结结构，从而确定最后的设计方案。例如，伴舞机器人由于自身的重量轻，负载比较小，对使用时间的长短要求不高，因此，在伴舞机器人的结构设计上，要选择有一定强度和刚度的结构，还要考虑抗摩擦磨损性的机构。在机械连接方面，在伴舞机器人做舞蹈动作的过程中，要保证机器人的各种接插件要灵活，而且不能松动，更不能脱落，以满足伴舞机器人各种动作的需要，所以，伴舞机器人的结构要具有较好的坚固性，适合选择铆接的方式。
（2）优化机器人的手臂设计。机器人很多动作的完成，都要依赖手臂。手臂设计的越灵活，机器人的自由度就越大，所做的动作就越精细。机器人的手臂设计越接近人类的灵活程度，其完成的任务就越高级，可完成比较复杂精细的动作。机器人的手臂设计，通常由一根横杆构成，在横杆的两端，分别固定机器人左右手的两个电机。这样，机器人就可做前后360度的旋转。固定机器人的头部电机，固定在横杆的中间，头部电机可带动机器人的头部做360度的旋转。此外，机器人手臂的机构，还可以继续优化和扩展，在机器人的肩部上和臂末端，可以再扩展2个电机，从而使机器人实现3个自由度的动作。为了防止机器人手臂旋转过度，而导致其动作错乱，可参考机器人左右转腰机构的设计，在机器人手臂转动限定角度内，装上限位开关，从而使机器人实现动作的一致性，避免出现动作错乱的情况。
（3）优化机器人弯腰机构的设计。机器人要具有一定 的运动灵活性，弯腰机构的设计不可忽视。机器人弯腰机构的设计设计思路，考虑到机器人的腰部主要承接了机器人身体上部的重量，在设计弯腰机构的时候，最好使腰部能做到水平的转动，如果机器人腰部不能做到水平的转动，会使机器人整个身体的平衡受到很大影响，可能会导致机器人摔倒，因此，在机器人腰部转动的设计中，要尽量减少可变的环节，直接使用电机实现弯腰。而电机经传动其他机构，最后带动腰部的转动方式，由于可变的环节比较多，影响机器人身体的平衡，所以不建议采用。
（4）利用传感器技术实现机器人的感觉系统。机器人的语音识别等功能，制作机器人硬件的难点，因为它要求机器人具有一定的感觉系统。随着科技的发展，机器人设计和制造技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术来实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，最后单片机发出命令，来指挥机器人的动作。计算机软件编程可以增加机器人的多种功能，使机器人的动作更加丰富和完善。
（5）做好机器人动作的编辑。机器人动作的编辑，最显著的特征是机器人的步调、节奏和动作幅度的大小，反映在机器人上，就是如何控制机器人的各個关节的电机转动的快慢，转动的时间，以及转动的角度。在设计机器人的动作时，必须先设计好机器人的每个动作，通过电机的滑块，来实时观察关节的位置是否合适，若合适的话，就把这个动作数据添加到数据库模块的动作表中，然后再调试下一个动作。如此反复，直到把所有的动作都编排好。之后把动作数据表下载到单片机中，由单片机来控制各个关节，顺序执行动作表中的各个动作。要设计出一套完整的动作，需要反复调试才能完成，不但要对人类的动作进行细致入微的观察，而且要把其转变成对机器人关节的控制，从而实现完美的效果。
总之，工业机器人作为机器人产业当中应用最为广泛的领域，是机器人产业链条当中最重要的角色，工业机器人代替人工是制造业的大势所趋。随着机器智能化的推广，机器人的设计在未来会有更广阔的天空。
参考文献
[1]宋红生，王东署.仿生机器人研究进展综述[J].机床与液压，2012年13期.
[2]胡勇.基于被动性和欠驱动性的双足机器人运动控制研究[D].浙江大学，2012年.
[3]付根平，杨宜民，李静.仿人机器人的步行控制方法综述及展望[J].机床与液压，2011年23期.
[4]李任江，黄留山.粉尘采样器自动换膜装置的仿真研究[J].长春工业大学学报（自然科学版），2013年06期.
[5]文怀兴，柳建华，鲁剑啸.基于ADAMS的夹持机械手虚拟设计及其结构优化[J].机械设计与制造，2010年03期.