美学法则在机器人机械结构造型中的运用

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摘要：现代机器人第一次开发时结构设计师往往只是实现结构功能而不去考虑产品的内在美学要素，因此在二次开发设计时机器人外观设计师总会遇到外形与结构之间的物理造型冲突。而且在进行机械结构设计时，验证结构稳定时往往需要经过几次复杂的检验，但最终机构往往是符合造型美学法则的。所以本文主要分析机器人组装时的美观与结构的结合，用美学法则解决结构中的功能稳定问题的过程。

关键词：美学法则 机械结构 造型设计

0、引言

当代机器人的开发一般都是以团队的形式进行，结构功能工程师和产品造型工程师进行交流合作共同完成一件产品。可在开发过程中就会有这样一个问题：结构仅仅只是解决功能却没有考虑美学法则，在造型设计师工作的时候就会有很多麻烦。单纯对造型的美感进行机器人造型设计并不能做到产品最终商业寿命的最大化。仅仅只对外观进行美学法则设计会让人很快厌倦产品。通过研究表明，十分鲜艳的华丽的产品外观，很容易让人产生厌烦的感觉。因此，单纯的外观设计不能满足人美学需求。而且，很多机械设计师在进行结构设计的时候不能一次就找到很完美的结构造型，需要一次次的进行改进和验证。而总结发现最终的产品结构往往也是符合美学法则的。因此，造型设计师在对产品造型进行设计的时候可以考虑美学法则这样无形中同时也简化了两之间的配合。本文来自北京信息科技大学大学生科技创新项目。

1、机器人造型设计的主要方法

机器人外观造型必须要结合机器人的功能：在机器人结构设计方面，特别是突出功能性的机器人，结合功能是十分重要的一个方面，如何是机械结构件的美观和实用接合设计很重要的一环。

1.1 机器人结构的结构件体现美感

机器人骨骼结构在设计造型的时候，需要遵循基本的外观要求，如果要将一个特殊的结构加入进去（有特意美观造型需求），就需要及时的改变外观。一般情况下，如果外观是将功能表达出来，那么就有着比较长的生命周期；如果外观只是要表现风格，那么通常只有较短的生命周期。所有机械结构件外露在机器人外型上，用结构件本身体现美感。如果没有对机器人的外形进行特殊的要求，那么只需要将最单纯的外观应用到功能设计上即可。机器人造型设计要充分的解决功能。目前，在机器人外观设计方面，很少有独立为美观为设计的造型，大多都是由一些功能因素在进行辅助。造型设计师首先需要考虑的问题就是有效的处理零件之间的联系，即实现机械功能。在机器人第一次结构设计时，往往仅对结构功能进行实现并不考虑美观造型。

1.2 机器人的色彩表现

在机器人的色彩表现，除了展示机器人，一般都是将一些色彩表现力较强的构件和特制造型构件应用到其他部分。通过研究表明，十分鲜艳的产品外观，很容易让人产生厌烦的感觉；但是，也有一些时候是例外的，如果场合对视觉有着特殊的要求，那么就需要使用比较鲜明的色彩，比如在一些机器人展览会上，机器结构既要在满足基本功能需求的基础上，还要将美观外在感觉力充分的体现出来。

2、将美学法则引入机械结构设计的开发方式

在对机器人机械结构开发过程中一些结构工程师发现，最终验证稳定的机械结构本身就具有许多美学法则。

2.1 轴对称结构解决轮足稳定问题

在结构造型，当舵机在中心位置时，机械臂结构要符合轴对称原则。如右图就是在抬臂轮足的造型设计时没有对足部进行中心对称设计，舵机锁在了单侧方向，造成了运行时机器人偏心，单向倾斜并且轮足本身不稳定。因此进行了结构重组如左图，对马达进行了重新锁定，两侧的所有结构件以马达为中心进行轴对称设计。两侧的轮足抬起部分的四个连杆机构两两对称，即做出了造型美感同时起到了稳定机械结构的问题。

2.2 “少即是多”简约美感解决结构繁杂问题

由建筑大师密斯.凡.德.罗提出的：“少即是多（Less is more）。”但又绝不是简单得像白纸一张，让你觉得空洞无物，根本就没有设计。也同样可以运用在机器人结构设计中。很多工程师运用大量结构件来实现功能。比如四连杆结构，在一号连杆位置引用了两组结构件来实现链接，于是丝毫连杆就需要三组结构实现。以此类推最终使得结构非常繁杂。如果以少即时多这一美学法则考虑结构问题就可以省去许多繁杂无用的结构。

2.3 黄金分割比例解决结构问题

在机器人结构设计中，因为是二次元件开发因此有时固件点不容易确定定位。连接点间用黄金分割比例进行计算，既增加了美感也解决了计算问题可简化工作。如上图在进行丝杆连接的时候将丝杆定位在横长版的1：0.618位置。这样就可以使横长版在运动时更加稳定，但是单纯从机械设计角度解决定位点问题往往需要多次验证。

3、总结

机器人结构设计大部分为一次原件型开发，主要是验证机械结构功能和稳定性，而并不考虑产品的外观及美感，因此使得机器人仅靠外壳表现美感。但是就像前文提到过“如果外观只是要表现风格，那么通常只有较短的生命周期”。用造型体现产品本身的美感造型还有实现的功能是当代延长产品寿命的直接办法。因此在产品的―次开发的时候就可以考虑到这些问题。因此在造型设计时多考虑美学法则既可以解决美学问题也可以实现功能结构的稳定。