我又回来啦！电机部分的教程会继续更新咯~
前几天做了成图增材赛道，也算4个月以来本人做过最复杂的结构项目。
不知结果会怎么样，但我也尽全力啦！
把说明书发在这里，STL已发GitHub，链接：
zysampof/Humanoid-Robot-Design： 第十七届成图大赛增材制造赛道本人作品 (github.com)
模型可出，需要的家人可以后台留言喔~
（封面放上稚晖君大佬的机器人哈哈哈）
让我们坚持做难而正确的事！
一、项目背景
二、任务提炼
2.1 头部主体
2.2 头部支架
2.3 操控装置
三、模型设计与优化
3.1 设计思路与流程
3.2 模型总体概述
3.3 脸部外壳
3.4 底座
3.5 下颚模块
3.6 眉毛模块
3.7 眼睛模块
3.8 联动方案
3.9 创新与优化
3.10 打印准备
四、3D打印制作工艺
4.1 故障排查与前期准备
4.2 模型分析与打印参数设置
五、作品实物展示
5.1 装配介绍
5.2 整体演示
六、总结
一、项目背景
人形机器人（图 1），作为未来科技与人类智慧的结晶，正逐渐渗透至社会的各个角落。它们不仅预示着生产力的革新，更是人机交互新时代的启航者。从工业生产，到医疗健康，再到教育娱乐，人形机器人的应用场景几乎能够覆盖人类生活的方方面面，一场深刻的社会变革正悄然发生。
人形机器人的面部研究，尤其是其对于人类面部表情模仿的相似度——此领域的深入探索，将会为人形机器人赋予更为细腻且真实的交互能力。
人形机器人对于人类面部表情的复现，不仅能够极大地提升其智能化水平，更重要的是，它们使得机器人能够更加自然地融入人类社会，拉近其与人类的精神距离。当机器人不再是冰冷的机械，而是能够生动模仿人类情感的人造物时，人机协作的边界将被重新定义。
二、任务提炼
本次竞赛任务聚焦于设计并制作一台仿生类人形机器人头，要求在仅使用机械传动控制的条件下，控制机器人的眉毛、眼球、眼帘、嘴巴等主要面部特征，使机器人展现出相应的功能。
阅读任务书，拆分任务。本项目分为三个模块：头部主体、头部支架、操作装置。要求分别如下。
2.1 头部主体
头部主体由固定件与可动件两部分组成，两部分均由选手自主设计制造。可动件分为眉毛、眼球、上眼帘与下颚。
（2）眉毛可相对面部进行上下平移运动、靠近鼻梁一侧小角度转动，如图 2所示。
（4）眼球可上下左右90°旋转与围绕自身360°转动，如图 3所示。
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（5）下颚可相对上颚进行上下移动，并完成闭合、半张开、张开运动。
（6）除以上要求外，任务书对制作效果、质量等亦有要求，这些在设计制作过程中也进行了实现。
2.2 头部支架
头部支架尺寸无要求，要求与头部主体易拆分且能牢固固定头部主体。
2.3 操控装置
三、模型设计与优化
3.1 设计思路与流程
根据任务拆分结果，制定项目技术路线如图 4所示：
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本项目采用“对点要求，逐点突破”的策略进行设计与优化。
本队初次设计计划由三步组成：
对于任务书所要求内容，分别分点实现各任务。当分点各任务跑通后，仅需将分点任务进行拼接，方便整体设计。
将第（1）步的结果进行拼接，再经过整体设计，构建出能够实现所有基本任务的框架。
对于前两步中的关键点进行验证，测试其机构运动可行性与结构稳定性，记录需改良的数据，为下次改良作数据准备。
完成初次设计后，本组将参考验证结果，对模型执行优化、功能扩展等任务。
3.2 模型总体概述
模型由头部主体、支架与运动机构组成，总装配体三维模型如图 5、图 6所示。
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本模型脸部外壳、底座支架、机构均为完全自主设计制作；零件连接均采用M3螺栓螺母，方便标准件采购与使用；运动方案为纯连杆机构，按功能模块分为脸部外壳-底座模块、下颚模块、眉毛模块、眼睛模块。在各运动模块间还配有联动机构。
各部分详细设计如下。
3.3 脸部外壳
3.3.1 设计方案
本项目对于固定部分外形设计共经历六次迭代。六次迭代模型如图 7所示。
 (a)第一代 |  (b)第二代 |  (c)第三代 |
 (d)第四代 |  (e)第五代 |  (f)第六代 |
3.3.2 设计原理
本项目脸部外壳部分由多面放样所得。为保证机器人头部尽量仿生与美观，将头部从中央开始，每5mm做一个截面，放样、抽壳，将抽壳壁厚设置为5mm。如图 8所示。
脸部外壳最终尺寸数据为138*143*196，满足设计要求，如图 9所示。
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图 8 固定部分建模思路
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3.4 底座
3.4.1 模型介绍
底座通过树状支撑固定头部。固定时，面部竖直朝前；树状支撑依据脸部轮廓设置，紧密贴合脸部，同时起到限位与受力作用。底座三维模型如图 10、图 11所示。
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3.4.2 设计方案
底座模型如图 12所示，在保证支撑性能的前提下，对底面作轻量化设计，以节省材料，提高打印效率。
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3.4.3 结构介绍
本底座模型由底部与支撑树组成，灵感来自树状支撑，如图 12 所示。支撑树由受力与限位组成。其中，后脑支撑树设计加强筋结构，加强后脑支撑稳定性，如图 12所示。打印结果表明，在保证结构稳定性的情况下，支撑树角度设计无需另加支撑（图 13）；支撑圆盘（图 12中圆盘形支撑树）与支撑树转角处均转角处理，保证底座打印时，支撑树部分无需支撑。
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3.5 下颚模块
3.5.1 运动介绍
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图 14 底座-下颚模块 |
下颚与下颚滑块通过连杆连接，移动滑块可控制下颚运动。下颚模块如图 14所示。
如图 15、图 16所示，前移滑块，下颚张开；后移滑块，下颚闭合。在底座上设计有滑槽，如图 17所示。在槽边有限位开口，控制下颚闭合-半张开-全张开，如图 17黑框所示。
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3.5.2 设计方案
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下颚模块由下颚、连杆、滑块组成。下颚模块如图 18所示。零件之间通过螺栓螺母连接，在连杆中设计滑槽，可与其它机构进行联动配合。在滑块中设计限位，既不影响滑块在底座滑槽的滑动，又能对于下颚的闭口、半开口、全开口起到限位作用。
3.6 眉毛模块
3.6.1 运动介绍
眉毛模块装配如图 19所示，各组件名称如图 20所示。转动操作杆，可控制眉毛靠近鼻梁一侧转动，如图 21所示；上下平移操作杆，可控制眉毛上下移动，如图 22所示。杆件中滑槽设计，可用于联动或限位。
 图 19 眉毛模块装配体 |  图 20 眉毛模块爆炸视图 |
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3.6.2 装配设计
眉毛模块装配体如图 19所示，其中，考虑到制作以及安装效率，眉毛限位帽与眉毛杆通过间隙配合连接，直径差距为0.1mm，经测试，连接稳定。
3.6.3 零件细节
（1）旋转连杆开槽，利于机构运动，如图 23所示。
 图 23 旋转连杆开槽 |
（2）眉毛杆与旋转杆通过M2螺栓螺母限位，如图 24所示。
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3.7 眼睛模块
3.7.1 运动介绍
眼睛模块装配体如图 25所示；爆炸视图如图 26所示。眼睛主体部分（眼帘、眼球、眼眶）为一体化打印设计（见打印参数与打印过程部分）。
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（1）眼帘机构
眼帘机构如图 27所示。推动眼帘操作杆，使眼帘旋转，可控制眼帘开合运动。如图 28所示。
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（2）眼球机构
眼球机构如图 29所示。移动眼球操作杆，可控制眼球上下左右与360°转动。如图 30所示。
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在操作杆上有开槽设计，可实现双眼的不同朝向，如图 31所示。
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图 31 控制眼球不同朝向 |
3.7.2 装配设计
（1）设计介绍
眼睛模块装配体如图 32所示。
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眼睛机构按装配单位可分为眼睛主体与杆件部分。其中，眼睛主体（图 33）为一体化成型设计，打印完毕后可直接运动。
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图 33 眼球主体 |
（2）一体化成型尺寸设计
通过多次测试（图 34），设计了眼睛主体一体化成型尺寸，眼帘与眼眶直径距离为0.76mm，如图 35所示。眼球与眼眶直径距离也设计为0.76mm。
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3.7.3 零件细节
在零件的易断裂处作加厚或圆角处理，如图 36、 图 37所示。
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3.8 联动方案
在杆件间设计联动杆（图 38），可调节联动杆与机构中杆连接的松紧与位置，完成多种联动，使机器人表现出不同的表情。
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3.9 创新与优化
（1）为便于标准化设计安装，连接处主要采用M3螺栓螺母连接。
（2）本项目采用运动机构采用纯连杆方式，具有打印时间少。安装效率高等，连杆尺寸方便调节特点
（3）本项目机构的限位几乎不依赖脸部外壳与底座，大多采用机构内部限位的方式，大大降低脸部外壳与底座的设计要求，提高容错率。
（4）本项目眼帘、眼球、眼眶采用一体化打印（见4.2.8 眼球主体），相比于其单独打印，降低了打印时间；同时，由于打印完成后即可相对运动，减小了安装难度与安装时间。
3.10 打印准备
3.10.1 极限打印角度
考虑到零件设计时可能出现弯折面、曲面等情况，在设计制作前期，需要测试设备的极限打印角度，为后期进行支撑优化提供数据，减少支撑的生成，节约材料，提高打印效率。
本队分别对斜面与竖直面的夹角进行设计与测试，如图 39所示。
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如上图，本队分别设置了相对于平面10°-50°转角模型测试。结果显示，一直到50°斜面，UP300都不需支撑，但在50°时，斜面出现表面质量下降的情况，如图 40所示。固后期设计时，在保证表面质量的情况下，如斜面不宜打印支撑，斜面与竖直面夹角不要超过50°，以40°左右为最佳。
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3.10.2 配合间隙
项目前期对于配合间隙尺寸测试，如图 41所示。
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试验发现，当直径间隙差距在0.3mm时，大小圆环能够顺利滑动，后期项目以0.3mm作为最适配合间隙。
3.10.3 螺纹尺寸
项目前期对于螺纹尺寸进行测试如所示。对于螺纹的期望为，不需支撑且坚固。
经前期测试（图 42），设置螺纹间距为3mm，螺纹采用扫描生成，轮廓尺寸如图 43所示，仅需凭借具体尺寸根据测试比例调整即可。
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四、3D打印制作工艺
4.1 故障排查与前期准备
打印前，须对打印机进行故障排查并进行前期准备，以减小打印中出现负面影响的概率。
4.1.1 打印机初始化
连接电脑与打印机并对打印机进行初始化（图 44）。初始化时，关注到喷嘴与打印机内壁无磕碰现象，表明限位开关功能正常，如图 45所示。
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图 44 打印机初始化 图 45 喷头与内壁无磕碰
4.1.2 检查材料
检查打印材料韧性良好，缠绕紧致无打结现象并上料。如图 46、图 47所示。
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4.1.3 喷头模块检查
喷头模块的故障主要为喷嘴堵塞、挤料异常与喷嘴螺纹缝溢料。因此，须对喷嘴挤料状况进行检查，如图 48、图 49 所示：喷嘴挤料平直，出料无节点；喷嘴螺纹处无材料溢出。
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由于本项目所用材料为ABS，因其热膨胀系数较高，为防止打印时出现翘边、模型变形等问题，须保证喷头风口关闭，如图 50所示。
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4.1.4 光轴检查
检查光轴表面光滑、无异物，必要时还需补充润滑油，防止打印出现堆料等现象。如图 51所示。
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4.1.5 热台检查
检查热台整洁无异物。如图 52所示。
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4.1.6 工具准备
如图 53，进行工具准备。
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4.1.7 调平
对热台进行调平。本项目所选打印机型号为UP300，具有自动调平功能，如图 54所示，若打印机无自动调平功能，则需手动调平。
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为保证打印质量，控制9点调平补偿数值在0.15以下，如图 55所示。
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4.1.8 喷嘴对高
进行喷嘴对高，以提升打印精度与打印平整度。首先检查喷嘴是否残留余料，余料在喷嘴表面的黏附会影响对高精度。确认喷嘴无余料后，将校验器放置热台表面，缓慢抬升打印平台高度，待校验器指示灯常亮并发出蜂鸣，表示对高完成。如图 56所示。
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4.2 模型分析与打印参数设置
4.2.1 脸部外壳
（1）摆放方向
脸部外壳一共有四种摆放方向，分别为倒立放置，脸朝上放置，脸朝下放置，正立放置。如图 57所示。
 (a)倒立放置 |  (b)脸朝上放置 |
|  (d)正立放置 |
仿真表明，脸朝下放置时（图 57 (c)），模型所需支撑远小于其它三种方式，固选择此方向为模型摆放方向。
（2）参数设置
脸部外壳的参数设计主要方向为：表面质量尽可能高；打印时间尽可能短。（结构稳定性已在模型设计中考虑）
1）质量参数
考虑到模型较大，且在模型两侧存在平面。为保证打印质量同时提高打印速度，结合打印机的最适打印范围（0.4mm喷嘴）。综合考虑，采用变层厚打印，设置质量为0.3mm，层厚为0.2mm，最大层厚为0.4mm，调整比例为1.5。如图 58所示。
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2）密集支撑
在前期测试时，由于密集支撑角度不够，零件表面出现异常纹路（图 59）。经排查，发现是面部曲率与支撑角度不符，故打印时应适当增加支撑角度。经分层预览，当支撑角度为40°时，所打支撑恰好能覆盖头部曲面，如图 60所示。
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图 59 零件表面异常纹路 图 60 支撑角度为40°
密集支撑设置如图 61所示。
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3）路径模式
为缩短打印时间，设置支撑密度为15%，如图 62所示。
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图 62 路径模式 |
4）支撑剥离
为方便支撑剥离，保证剥离支撑时减小对底面的上还，设置粘合强度为10%，如图 63所示。
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图 63 支撑剥离 |
（3）打印过程
1）打印脸部外壳中部某层，如图 64所示。
2）脸部外壳打印完成，如图 65所示。
3）支撑拆除，如图 66所示。
4）最终成果，如图 67所示。
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4.2.2 底座
（1）摆放方向
底座摆放方向如图 68所示，无多余支撑。
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（2）受力分析与参数设置
底座调参方向为：底部支撑易去除，应力集中部位需加大填充度。
1）高度参数设置
应力分析发现，在支撑脸部外壳时，底座某些部分应力较为集中，如图 69所示。
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固在设计时，应力较大且转角处除圆角加固外，还需修改特定高度参数，特定高度参数调制如图 70所示。
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图 70 特定高度参数调制 |
设置上图层高范围内填充密度为40%，如图 71所示。
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2）支撑剥离
考虑到底座为大底盘零件，为使模型底部密集支撑易于剥离，设置支撑粘合强度为10%，与脸部外壳相同。
（3）打印过程
1）打印中部某层，如图 72所示。
2）打印完成，如图 73所示.
3）最终成品，如图 74所示。
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4.2.3 下颚模块
（1）摆放方向
由于没有特殊打印方向要求，将滑块与下颚同时打印，摆放方向如图 75所示。
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（2）参数设置
1）质量参数
设置下颚质量为0.2mm，与默认参数相同。
2）路径模式
为保证其相对较高的质量，设置填充密度为30%，如图 76所示。
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图 76 路径模式 |
（3）打印过程
1）打印中部某层，如图 77所示。
2）打印完成，如图 78所示。
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后期测试发现，图 78中下颚零件横向尺寸过大，模块不易移动，如图 79所示。故将下颚横向尺寸减小1mm，重新打印，如图 80所示。
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4.2.4 眉毛-竖直操作杆
（1）摆放方向
考虑到竖直操作杆的使用情况，为避免使用时发生层断（图 81），将竖直操作杆如图 82放置，同时去除不必要支撑，如图 83所示。
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（2）参数设置
由于操作杆的受力要求，需要较高的填充密度，将操作杆填充密度设置为50%，如图 84所示。
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图 84 路径模式 |
其余参数均与默认参数相同。
（3）打印过程
1）操作杆打印中部某层，如图 85所示。
2）操作杆打印完成，如图 86所示。
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4.2.5 眉毛
（1）摆放方向
眉毛摆放方向如图 87所示。
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图 87 眉毛摆放方向 |
（2）参数设置
考虑到眉毛零件尺寸过小，设置填充密度为50%，以加强眉毛力学性能，与图 84相同。
（3）打印过程
眉毛打印完成，如图 88所示。
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4.2.6 转动连杆
（1）摆放方向
转动连杆摆放方向如图 89所示。
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（2）受力分析与参数设置
考虑到转动连杆受力的特殊性，应变分析如图 90所示，存在较大面积危险点。
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综合考虑打印效率与打印质量，本项目在其参数调制中导入子模型，如图 91所示，设置子模型填充密度为50%，经打印测试，符合期望强度。
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（3）打印过程
1）转动连杆打印完成，如图 92所示。
2）最终成品，如图 93所示。
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4.2.7 眉毛-转动操作杆
（1）摆放方向
转动操作杆有两种摆放方向，如图 94、图 95所示。
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图 94所示摆放，虽可以减少支撑，但其稳固性远小于横向摆放方向，且高度过大、尺寸过细、具有斜度，模型容易受喷头影响而震荡，导致打印质量下降等。固选择横向摆放方向。
（2）参数设置
1）质量参数
由于操作杆结构较细长，为保证操作杆质量，设置质量为0.2mm，与默认参数相同。
2）支撑剥离
为保证拆除支撑时减小对零件的损害，设置粘合强度为15%，如图 96所示。
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图 96 支撑剥离 |
（3）打印过程
眉毛-转动操作杆最终成品，如图 97所示。
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4.2.8 眼球主体
（1）摆放方向
眼睛主体摆放方向如图 98所示。
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（2）支撑去除
考虑到眼睛主体为一体化打印，且打印完毕后，需要保证眼睛各主体光滑移动，将不必要且会增大主体连接性能的支撑去除，如图 99所示。
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（3）参数设置
1）质量参数
为保证打印质量，设置质量参数为0.2mm。其余质量参数与默认数据相同。
2）打印速度
为保证打印的精确度，设置打印速度为Fine，如图 100所示。
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3）挤出比例
由于眼皮、眼眶与眼珠的间隙较小，为防止多余料堆积而造成其表面粗糙度过大，见轮廓与内部填充挤出比例改为0.9，如图 101所示。
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（4）打印过程
1）打印中部某层，如图 102所示。
2）最终成品，如图 103所示。
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4.2.9 眼帘操作杆
（1）摆放方向
眼帘操作杆摆放方向如图 104所示。
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（2）参数设置
1）路径模式
由于结构的特殊性，需要设置尽可能高的填充密度，设置填充密度为40%，如图 105所示。
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2）支撑剥离
为保证支撑易拆除，设置粘合强度为15%，与眉毛-转动操作杆相同。
（3）打印过程
眼帘操作杆打印完成，如图 106所示。
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4.2.10 其它杆件
（1）摆放方向
由于受力要求相同，将其它杆件以同样的参数同时打印，其它杆件摆放方向如图 107所示。
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（2）参数设置
其它杆件参数均采用默认参数打印（质量0.2mm）。
（3）打印过程
1）杆件打印完成，如图 108所示。
2）支撑拆除，如图 109所示。
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五、作品实物展示
5.1 装配介绍
5.1.1 眉毛模块
装配眉毛模块，将连接孔通过m3螺丝螺母连接，将限位帽卡入眉毛杆，如图 110所示。
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5.1.2 眼睛模块
装配眼睛模块，如图 111所示。
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5.1.3 下颚模块
装配下颚模块，如图 112所示
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5.1.4 整体展示
装配整体如图 113、图 114所示。
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5.2 整体演示
单模块动态运动、多表情展现等详情请见演示视频，此处不作过多叙述。
5.2.1 眉毛运动演示
眉毛运动演示如图 115、图 116所示。
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5.2.2 眼睛运动演示
眼睛运动演示如图 117、图 118所示。
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5.2.3 下颚运动
下颚运动如图 119、图 120所示。
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六、总结
以3D打印的形式，用纯机械控制的方式将人形机器人的五官变化展现出来，无疑是一段新奇而充满挑战的过程。从拆分项目—构想框架—设计流程—初稿测试—循环优化的流程中，本队对于产品结构的设计与优化，产品的实际性、可行性与3D打印本身都有了更加深刻的体会。产品的设计-制造-使用是三位一体的环节，结构的设计离不开制造与使用的可行性分析——就像本项目中，在设计结构时，除了考虑功能的实现，还需要考虑零件能否被加工制造。由于增材制造的制造特性，其支撑、打印最小面积、打印方向都是设计时需要考虑的方面；机构的设计能否满足实际使用、安装要求，会不会出现自由度为0甚至为负、难以安装的情况——都是机械工程师需要关注并积累的经历与经验。通过一次次的试错，本团队逐渐体会到，这其中都是有迹可循的——当熟悉了制造与设计的步骤与各种可能出现的错误后，就能够建立并加强机械工程的学科素养，这种难能可贵的经验是在理论学习中难以得到的，只有在不受理论束缚的情况下，将理论运用于实际——比如成图这样与实际结合极其紧密的比赛——才能真正掌握所学的理论知识。本次增材项目，与其说是一场比赛，不如说是一场缩小版的产品设计过程。本队在极低成本的条件下走完了产品设计几乎所有的流程，认识到本学科的综合性与挑战性，大大提升了本队的综合素质与解决困难的能力。
在创新与优化方面。本项目集中于提高组装效率与容错性，广泛采用M3标准螺栓螺母，简化零部件准备及安装流程。运动机构设计上，纯连杆设计提升了打印与安装的效率，若出现安装问题，只需调整局部尺寸。通过连杆的灵活使用实现精准限位与联动，减少机构对外壳和底座的依赖。眼帘、眼球、眼眶的一体化打印，不仅缩短了整体打印时间，还因一体化成型免去复杂组装，进一步提升组装效率与便捷性。
在模型具体优化方面。本队从三个方向对每次迭代的模型进行优化——结构、打印、功能。其中，结构优化主要在于是否成功实现任务点；装配是否存在无法配合或配合不符合期望；零件自身是否存在问题，如难以保证自身结构稳定性、结构过于复杂等。面向打印优化主要在于结构设计是否能够减少或避免使用支撑；能否减少用料。功能优化主要在于能否将机构简化，以减少打印时间与用料、便于安装；能否增加功能等。
3D打印方面。3D打印绝不是简单的打印“模型”这样简单的制造技术。通过此次增材比赛，本团队深刻意识到，3D打印是一种低成本验证结构可行性的绝佳方法——通过参数调制，能够模拟所设计产品的尺寸、使用甚至是力学性能。通过对不同零件的参数调节，能够对点加强零件受力较大点甚至危险点的力学性能，为产品在后期制造奠定设计基础。对于此次比赛而言，本团队考虑到各零件的使用方式与受力性能，为不同零件设计不同的打印参数，以提升打印效率，同时提升零件可行性。例如，在调制底座参数时，本团队通过应力发现，底座某些支撑树底部具有应力集中点，于是便使用UP Studio中“在特定高度设置参数”的功能，增大应力集中点的填充密度，以增强其力学性能，同时保证了打印效率；由于底座为大底面零件，将底座支撑粘度调小，使底面密集支撑易于剥离底面，提升制作效率同时减小对底面造成伤害的可能性。通过3D打印这种低成本制造方式，本队深刻体会到，并不是所有产品的设计都能制造出来，不止是3D打印，还有我们以后可能会实际操作的CNC加工、注塑成型等加工方式。
本队将会将3D打印运用于更多的实地设计，用3D打印的技术去做更多难而正确的事！
