11.3 硬件设计本实例的硬件设计资料已经开源https://github.com/loongOpen/OpenLoong-Hardware提供了涵盖腰部组件、胸腔系统、头部感知系统、腿足系统等多部分的硬件设计文件、图纸及技术文档。该机器人具备高仿生设计43个自由度、灵巧手、由3D激光雷达与深度相机等构成的全方位感知系统以及快速行走、避障等灵活运动能力。11.3.1 整体设计本项目提供了青龙全尺寸通用人形机器人简称青龙机器人的全部设计资料青龙机器人拥有高度仿生的躯干构型和拟人化的运动控制全身最多达43个全身自由度最大关节峰值扭矩达396N.m具备快速行走、敏捷避障、稳健上下坡、抗冲击干扰等运动功能是通用人工智能的理想载体。整体系统组成如图所示。青龙机器人的整体设计结构如图11-1所示强对标生物人功能指标包括外观头部、胸腔、手臂、灵巧手、腰部、腿足、外形尺寸、关节运动范围、机动、感知、交互、作业等。图11-1 青龙机器人的整体设计结构青龙机器人的系统组成如图11-2所示。图11-2 青龙机器人的系统组成11.3.3 底层驱动青龙机器人基于EtherCAT总线的底层驱动具有实时性高、扩展性强、可靠性高的特点提供了关节层控制接口可以实现对机器人的每一个关节的力矩、位置、速度控制。青龙机器人的直立尺寸为2192mm*1850mm*300mm如图11-3所示。图11-3 基于Ethercat的高实时总线系统11.3.4 整体关节青龙全尺寸通用人形机器人的关节自由度分布如表11-1所示。表11-1 青龙机器人的整体自由度配置序号关节名称自由度1头部22腿6*23腰部34手臂7*25灵巧手6*2合计43青龙机器人的自由度配置如图11-4所示整体运动关节如图11-5所示。图11-4 青龙机器人的自由度配置示意简图图11-5 青龙机器人的整体运动关节示意图11.3.5 灵巧手设计青龙机器人的仿人灵巧手分左手和右手采用模块化设计本采用模块式可拆卸结构实现与人形机械臂的快拆快换如图11-6所示具体说明如下所示。每个手指/拇指指尖、手掌部分集成阵列式触觉传感器可实现精确的接触感知。整体外观设计参考人手及实际抓取需求与人手近似简约美观。具备高抓重比与抓取自适应的特点响应速度快、运动灵活、外形高度仿人手。采用快换机构方便与机械臂的拆装具备触觉感知能力手指采用模块化原则设计。右手左手图11-6 灵巧手示意图11.3.6 头部感知系统组件设计本项目的头部感知系统是青龙全尺寸通用人形机器人的核心感知单元以多模态融合为设计核心集成视觉、听觉、触觉、嗅觉及动觉五大感知维度的硬件集成与控制模块配套了13份详细设计图纸TA00-07-01-0003至TA00-07-01-0015系列PDF全面覆盖各感知组件的机械结构、安装接口、连接逻辑及控制模块布局系统以TA00-07-0001圆柱基座为基础支撑通过标准化设计实现不同感知模块的精准适配与协同工作既保障了环境信息采集的全面性又为传感器数据的实时传输与处理提供了稳定的硬件基础其开源的图纸文件为社区进行感知算法优化、组件替换或功能扩展提供了完整的硬件设计依据。在“OpenLoong-Hardware\TA00-07-00头部感知系统”目录中保存了本项目的头部感知系统组件设计资料例如文件TA00-07-01-0003.pdf是“青龙”人形机器人头部感知系统的配套设计图如图11-7所示比例1:1采用6061-T6材料重量为13.6879432涉及了2×M2.5等规格螺栓相关设计。图11-7 头部感知系统6061-T6材质安装支架11.3.7 腰部组件设计腰部组件是青龙全尺寸通用人形机器人的核心机械连接单元聚焦腰部关节运动、驱动系统适配及整体机械结构实现在本项目中配套了9份精准化设计图纸如图11-8所示。其中TA00-03-0001 - 腰部支架为核心承载结构TA00-03-0003-侧摆电机支架、TA00-03-0004-前摆电机支架适配驱动系统安装TA00-03-0005-腰部支撑转轴保障关节活动自由度TA00-03-0006-定位销、TA00-03-0007-定位销把手、TA00-03-0009-周转固定片负责结构定位与稳固TA00-03-0002-前部补盲相机支架、TA00-03-0008-尾部补盲相机支架则为环境感知设备提供安装接口整套设计既满足腰部灵活运动需求又兼顾结构稳定性与功能扩展性图纸完全开源供组装与优化。图11-8 腰部组件设计图纸在“OpenLoong-Hardware\TA00-03-00-腰部组件”目录中保存了本项目的腰部组件的设计资料例如文件“TA00-03-0001-腰部支架.PDF”是青龙全尺寸通用人形机器人腰部组件的核心承载结构设计图如图11-9所示。图11-9 腰部承载结构设计图11.3.8 胸腔系统组件设计胸腔系统是青龙全尺寸通用人形机器人的核心硬件布局单元聚焦于胸腔部位传感器与主控模块的安装布置配套了16份核心功能图纸含前胸机架、左右吊环、雷达转接板、WIFI散热板、交换机/主控/电池固定件、前后环视固定件等及1份圆柱基座图纸如图11-10所示全面覆盖胸腔各硬件的安装支撑与布局规划为机器人核心控制、通信、供电及环境感知部件的集成提供精准技术依据开源图纸适配组装与优化需求。图11-8 胸腔系统组件设计图纸图11-10 腰部组件设计图纸在“OpenLoong-Hardware\TA00-04-00胸腔系统”目录中保存了本项目的胸腔系统组件的设计资料例如文件“TA00-04-0001前胸机架-图纸1.pdf”是青龙全尺寸通用人形机器人前胸机架组件的设计图如图11-11所示。图11-11 前胸机架组件设计图11.3.9 腿足系统组件设计腿足系统是青龙全尺寸通用人形机器人保障大范围运动能力与灵活步态的核心单元本项目提供了30余份详细设计图纸全面覆盖髋关节、膝关节、脚踝及足部的关键部件含电机连接件、支架、轴类、锁紧螺钉、衬套、限位件、足本体及足底橡胶垫等从核心传动部件到末端执行机构的设计文件一应俱全为腿足系统的组装、调试及运动控制实现提供了完整的技术支撑开源图纸适配优化与二次开发需求。在“OpenLoong-Hardware\TA00-12-00-腿足系统”目录中保存了本项目的腿足系统组件的设计资料具体如下所示。TA00-12-00-0001膝关节销TA00-12-00-0002膝关节销轴锁紧螺钉.pdfTA00-12-00-0003 -A1连杆销针C.pdfTA00-12-00-0004连杆衬套B.pdfTA00-12-00-0006脚踝俯仰轴.pdfTA00-12-00-0007脚踝俯仰轴B.pdfTA00-12-00-0011脚踝俯仰轴垫片.pdfTA00-12-00-0012脚踝俯仰轴锁紧螺钉.pdfTA00-12-00-0013十字俯仰轴.pdfTA00-12-00-0014十字侧摆轴.pdfTA00-12-00-0015十字侧摆轴衬套.pdfTA00-12-00-0016脚关节锁紧螺钉.pdfTA00-12-00-0017十字俯仰轴TA00-12-00-0018膝关节轴承垫片.pdfTA00-12-01-0001 -A1髋关节周转电机连接件.pdfTA00-12-01-0002-A1髋关节周转电机连接件B.PDFTA00-12-01-0003-A1周转电机轴承挡边.pdfTA00-12-01-0004前摆线合配件.pdfTA00-12-02-0001 -A1髋关节俯仰电机法兰.pdfTA00-12-02-0002 -A1俯仰电机支撑架.pdfTA00-12-02-0003 -A1右大腿支架.pdfTA00-12-02-0004膝关节电机关节轴.pdfTA00-12-02-0005轴承锁紧螺钉.pdfTA00-12-02-0006 -A1轴承钢套.pdfTA00-12-02-0007-A1摇臂.pdfTA00-12-02-0008连杆销针.pdfTA00-12-02-0009连杆锁紧螺钉B.pdfTA00-12-02-0010连杆.pdfTA00-12-02-0011连杆衬套.pdfTA00-12-02-0012支撑轴B.pdfTA00-12-02-0015髋关节俯仰限位法兰.pdfTA00-12-04-0001-A1右小腿支架.pdfTA00-12-04-0002-A1小腿曲.pdfTA00-12-04-0003小腿拉杆A.pdfTA00-12-04-0004小腿拉杆C.pdfTA00-12-04-0005-A1右小腿下限位.pdfTA00-12-04-0006-A1右小腿上限位.pdfTA00-12-06-0001足本体.pdfTA00-12-06-0002足底后橡胶垫.pdfTA00-12-06-0003足底前橡胶垫.pdfTA00-12-06-0004足底端盖.pdfTA00-12-06脚部组件.pdf例如文件“TA00-12-00-0001 膝关节销轴.pdf”是青龙全尺寸通用人形机器人膝关节销轴组件的设计图如图11-12所示。图11-12 膝关节销轴组件设计图11.3.10 腿足系统组件设计在“OpenLoong-Hardware\TA00-12-00-腿足系统-三维图纸”目录中保存了本项目的腿足系统组件的三维设计资料包含了30余份.step格式文件全面覆盖了腿足系统核心部件的三维模型——涵盖了膝关节、脚踝、髋关节相关的轴类、锁紧螺钉、衬套、支架以及大腿/小腿支架、足本体、足底橡胶垫等关键零件为机器人腿足系统的3D建模、装配调试、结构优化提供了完整的开源三维数据支持。例如文件“TA00-12-02-0004膝关节电机关节轴.step”是青龙全尺寸通用人形机器膝关节电机关节轴组件的3D设计图如图11-13所示。图11-13 器膝关节电机关节轴组件的3D设计图在“OpenLoong-Hardware\TA00-12-00-Leg and Foot System”目录中保存了本项目的腿足系统的PDF格式设计图纸集合包含了40余份中英双语标注的图纸全面覆盖了髋关节、膝关节、脚踝及足部的销、螺钉、支架、衬套、限位件等核心零件还含脚部组件装配图为机器人腿足系统的加工制造、装配调试提供了完整的二维技术依据开源图纸适配研发与二次优化需求。例如文件“TA00-12-04-0002-A1 Lower Leg Curve.pdf”是本项目腿足系统的小腿曲柄设计图如图11-14所示。采用GB/T 3880.1-7075-T6板材比例1:1。图11-14 小腿曲柄设计图组件的设计图11.3.11 全景相机全景环视系统基于嵌入式高性能多媒体处理器通过在机器人腰部布置四个超广角可见光相机将采集到的图像信息拼接成一副全景鸟瞰图并通过显示终端解码显示鸟瞰图操作手可直观的看到机器人所处的位置以及其周围环境、目标物、障碍物等。还可以根据需要在机器人前胸和后背配置两路广角摄像头用于直接输出或拼接输出其身体前向和后 向的环境态势。青龙机器人的全景环视系统结构如图11-15所示。图11-15 青龙机器人的全景环视系统结构全景环视系统中的全景广角相机选择GC2035摄像头模组该模组由1/2.9英寸CMOS图像传感器和120°广角镜头组成可输出1920×1080分辨率的图像信号视频接口为MIPI。