可重构化设计的六自由度协作机器人适用于多种工种需求

（一）创意构思

经过前期的设计调研和分析总结，以及对产品进行的设计定位，笔者及研究团队试图通过手绘表现前期的创意构思。此创意构思从多方面对产品进行创新设计，并且通过创意构思发散设计思维。图1-2-1为构思草图。

（二）方案比较

方案一的设计灵感来源于仙鹤（图1-2-2）。仙鹤是中国传统的祥瑞之物，可爱灵敏，捕鱼十分灵活，由此联想到仙鹤与工业机器人造型的相似处。因此，将鹤形抽象化应用于六自由度协作机器人造型设计。仙鹤嘴部即是机器人抓手部位，抓取动作如仙鹤捕食。仙鹤中部躯干部位有小型液压装置，因此，通过调节上下运动和总托部位的水平面360°旋转达到作业要求，将需要的工作部件，如电焊弧等安装至抓取部位，即可满足工业化的不同需求。

图1-2-1 构思草图

图1-2-2 方案一草图

图1-2-3 方案二草图

方案二的设计灵感来源于人的两只手臂（图1-2-3），将工业化机械化的产品通过拟人化的设计语言进行表现。造型元素借鉴人的一双手臂，圆润莹透的造型质感给人心理上的自由舒适。两只机械臂如人手一般，配合传感器的感知解放牢笼，使得运行更加安全可靠，安装于墙壁的设计更是节省了空间。小型液压装置和抓取部位的可升降结合让机械臂行动更为自如，升降结构不工作时可隐藏至外部薄壳结构内侧，以防止对工作人员造成伤害，此外也能在工作室保护内部结构不受损。

方案三的设计灵感来源于军工武器，将武器迫击炮的身体结构作为设计元素与产品的结构进行有机的结合（图1-2-4）。产品设计为模块化、可重构化设计，抓取部位同样可以更换，满足了不同工种的需求。整体趋于一体化，控制系统和机器人整体融为一体便于维修检测，亮橙色系为沉闷千篇一律的工业操作增添一抹亮色，圆滑的机身，变化的手臂造型，彰显科技工业的先进感。

图1-2-4 方案三草图

方案四的设计灵感来源于电影中的硬汉形象，曲线的柔软与硬朗直线的结合既有工业化机械的硬美学冷美感，也有给人安全舒适的弧线（图1 2-5）。整体造型刚中带柔，体现经典荧幕硬汉刚中带柔的铁汉柔情，提取边缘轮廓线作为产品造型的设计参考，富于变化的手臂轮廓可节省空间，操作部位的液压伸缩装置为多方位作业带来可靠保障。

以上七个方案仅为前期草图创意构思，产品的合理性仍有待推敲，仍需通过方案细化、模型建构来深入探究，以此确定最终方案。

图1-2-5 方案四草图

图1-2-6 方案五草图

图1-2-7 方案六草图

图1-2-8 方案七草图

方案一

方案一（图1-2-9）运用仿生学设计，优雅的仙鹤造型，圆润可爱，亲切自然。仙鹤捕食快而准，以此喻意此款工业机器人工作的精准性；主体承接部位承重稳固，可旋转系数高；采用红色系和灰黑色系，整体风格较为醒目艳丽，警示作用强，搭配可爱的形态，能够给工人们带来舒适愉悦的使用体验。

优点：造型圆润优雅有朝气。

缺点：手臂部分运动较为僵硬。

图1-2-9 方案一效果图

方案二

方案二（图1-2-10）将六自由度协作机器人的设计类比于人类的一双手臂。手是人类最为灵活的身体部位之一，创造了诸多奇迹，此款六自由度协作机器人仿照人类的一双手臂，边缘弧面设计，避免作业中对人体的伤害，双臂更能提高效率，设置W形态节省了空间，更避免了水平面的误伤。此外，其精巧的液压装置以及作业手臂内部的升降装置的结合为作业过程中的方便安全提供了保障，宛如一双灵巧的双手，给人心理上的安全舒适之感。

图1-2-10 方案二效果图

优点：强烈拟人化设计，强调人的心理感情，给人舒适安全之感，效率高，安全且节省空间。

缺点：整体略显笨重。

方案三

方案三（图1-2-11）模块化的部件设计使拆卸组装十分便捷。精致的外形，大曲面与模块化的结合彰显了科技的魅力感，维护检修台的一体化设计增添了维护检修的方便，更有独特的“锁”防护，增加了运行过程中的安全系数，独特的液压装置更显未来感，接口处更加牢固，抓取部位更为灵活。其主体色彩偏亮丽，主要是为较为危险的工种特别设计的。在六自由度协作机器人色彩搭配的调查中发现，大部分焊接等较为危险的工种对明艳带有警示意味的色系尤为偏爱。

图1-2-11 方案三效果图

优点：形态酷炫，延长了产品的使用寿命，模块化设计增大了使用方式的可能性。

缺点：比较占空间，移动略显笨重。

方案四

图1-2-12 方案四效果图

方案四（图1-2-12）将荧屏硬汉造型与六自由度协作机器人组合在一起。模块化的设计元素是产品操作部位的可更换爪。方型的手臂部位和简洁中略带曲线富于变化的主体相应，如同绿巨人一般，拥有钢铁的意志和温柔的深情。此款产品整体采用直线与曲线相结合的造型，硬朗中带着亲和，简洁的手臂一体化的设计便于拆卸组装和修整。同样，带有液压伸缩装置，在闲置的时间里将操作手臂伸缩起来，节省空间的同时降低事故发生的概率。此种机器人主要是为码垛搬运类工种设计的。在六自由度协作机器人色彩搭配的调查中发现，码垛搬运类工种对蓝色、绿色等冷色调尤为偏爱。因此，该产品主色为蓝色，搭配灰黑色，表现产品冷静清爽的设计风格。

优点：造型统一、刚中带柔。

缺点：造型略简单，不够精美。

方案五

图1-2-13 方案五效果图(www.xing528.com)

图1-2-14 方案五效果图

该款六自由度单臂机器人的造型灵感来源于《西游记》中孙悟空手中的如意金箍棒，它将现代科技与中国古典艺术相结合，诠释了中国科技的现代含义。金箍棒的千变万化、威力无穷完美地体现了六自由度机器人的特点。

方案六

该款机器人的造型来源于蝎子，其特点是刚毅、精准；机器人的材料主要以不锈钢为主，工艺主要采用的是铸造、钣金冲压、焊接，整体臂的形态使得轴与轴的连接更为简单、自然。

图1-2-15 方案六效果图

图1-2-16 方案六效果图

方案七

简洁的造型、时尚的配色、流畅的线条与优雅的曲面让工业机器人更具亲和力。优美生动的造型赋予了机器人灵性，摆脱了呆板生硬的机械形象，让机器人在视觉感受上给人智能化、科技化的感性认识，从而提升产品形象。

图1-2-17 方案七效果图

图1-2-18 方案七效果图

（三）最终方案论证

1．最终方案效果图

图1-2-19 最终方案

2．人机分析

对于六自由度协作机器人的人机主要由两个部分组成，一个是操作台，由人控制操作部位；另一个是工业机器人自身尺寸的人机分析，这是最主要的，包括六自由度协作机器人两两之间的空间、臂长、挥臂范围以及精度等要求。

图1-2-20 人水平臂

为节省工作空间，最终方案采取W式，六自由度协作机器人两两之间的空间距离取决于其臂长及运动范围。由于拟人化的双臂设计，这里参考人工作时双臂的人机值，之后进行换算，以达到相对准确的数值。

如图1-2-21所示，分别为人工作时双臂活动范围的正视图及侧视图。

图1-2-21 人立面

对于操作台涉及的人机分析主要为工作人员操作过程中的人机数值。这里采用标准控制台设计，在三种作业姿势及其他相关条件下，各种尺寸范围参照表1-2-1进行修整。

表1-2-1 标准控制台尺寸

续 表

根据前面人机分析及调研数据，确定最终方案数据如下表1-2-2所示。（因为最终方案为悬臂式，所以S轴运动会有所限制）

表1-2-2 最终方案数据

续 表

3．功能分析

此方案应用于轻型装配作业和自动化作业台等场合，主要填补了在全手动装配生产线与全自动生产线之间的空白，以实现人机协作、零部件组装、加工工件的搬运及装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床和冲床上使用广泛（表1-2-3）。

表1-2-3 功能分析

续 表

4．形态分析

造型是某一产品区别于其他产品的一个非常重要的因素，由于工厂工作人员工作的特殊性，所以在工业机器人设计中非常注重安全要素，六自由度协作机器人的产品外形设计必须满足这一需求，给人以心理上的舒适安全之感。亲和的外形设计可以缓解工作人员的作业紧迫感，降低对机器的畏惧感，好的外形甚至能引发他们尝试使用的欲望。通过缓解作业人员的心理压力，能够使他们更为高效地工作，创造更多的社会价值。同时，在设计时不能因一味地追求新奇特别和心理上的舒适安全而忽视产品的质量和安全性。产品的造型设计应该使作业人员在舒适放松的情况下完成对六自由度协作机器人的操作控制行为。

因此，在六自由度协作机器人产品造型设计上应做到简洁但又舒适安全，以达到形式与功能的完美结合，使用户的心理需求和行为需求达成一致。设计师从大自然中寻找设计元素，即将人类双臂运用到产品设计中，清新、亮丽的色彩以及充满舒适感缓和紧张的设计样式，与人最亲密的手臂这一元素融入设计，能够使作业人员在使用过程中体验到轻松愉悦的工作乐趣，满足作业人员的情感需求。

5．色彩分析

色彩是构成产品外观视觉世界的重要元素之一，相对于造型元素而言，色彩具有更加直观和强烈的吸引效果，是形成视觉化语言的首要因素。工业产品的特色之一便是不同的工种运用不同的色彩，起到严谨肃穆的风格和警示作用的颜色，是重工工作环境的最大体现。此外，有了色彩因素的刺激，工作人员有一定的心理暗示，对于自己所操作控制的对象也能提高警惕，避免错误操作。工厂工作人员任务重，多为重复烦琐的操作，有时还有紧急情况的发生，因此其精神是高度紧张的，他们具备比常人更为强烈的责任心与警惕感，所以会对工作谨慎小心，因为工作过程中稍有不慎就会酿成无法挽回的悲剧。据研究表明：疲劳对工伤事故的影响占据很大比例，如2015年江苏如皋某重工企业两名电焊工因疲劳作业不幸殒命。

六自由度协作机器人属于工业类产品，因其与工人长期为伴协同工作，所以从工人的心理角度找出恰当的色彩辅助工人作业非常重要，通过产品色彩的调节能缓解工人压力，从而降低意外事故的发生。一般明快、起警示作用的色彩会应用于重工工业类产品，而轻工工业类产品则从提高注意力心理的协调和注重安全的体现两大方面思考，将调节情绪作为色彩设计的依据，帮助工作人员安全愉快地工作，具备提醒、缓解压力、警示等作用，因而其色彩则较为柔和。

工种、作业环境、作业要求的不同使得工人对于色彩的偏好有所差异。总体来看，电焊等危险作业一般采用警醒作用较大的亮橙色等色系，码垛、搬运工种则一般用蓝色等平和色系。但在工业生产中，尤其是大型器械的生产制造业，如汽车装配等，在六自由度协作机器人的配色中多使用纯度高、亮度大的色彩。但是太过鲜艳刺眼的颜色对工作人员的视力会带来不适，使其缺少耐心、性格急躁，再加上作业环境嘈杂，所以易引发事故。

现今市场上的工业机器人多为白色和亮黄色系，考虑设计定位的工作环境，此方案设计采取银白色与橘黄色相搭配，从冰冷中窥见一丝丝温暖，摆脱了传统色彩的束缚，将感性情愫添加进枯燥重复而单调的工业作业中，更能体现人文关怀。银白色在东方代表精神、空间和思考，为紧张的工业化生产带来冷静的思考，是多种轻工业的主要应用色。