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1、四足仿生機器人國外研究現(xiàn)狀,典型樣機（機械機構(gòu)特點） 單自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊,典型四足步行機器人,1、引言,傳統(tǒng)的步行機器人設(shè)計往往是一個很復(fù)雜的過程，為了達(dá)到設(shè)想的運動方式，就要進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和規(guī)劃工作。而仿生學(xué)在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用，使得這一工作得到了簡化。動物的身體結(jié)構(gòu)，運動方式，自由度分配和關(guān)節(jié)的布置，為步行機器人的設(shè)計提供了很好的借鑒。,2003 年日本電氣通信大學(xué)的 木村浩等研制成功四足移動機器人Tekken，如圖所示。該機器人安裝了陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器。采用基于中樞模式發(fā)生器(CPG)的控制器和反射機制構(gòu)成控制系統(tǒng)，其中CPG 用于生成機體和四條腿的節(jié)律運動，而反射機制通過傳
2、感器信號的反饋，來改變 CPG 的周期和相位輸出，Tekken 能適應(yīng)中等不規(guī)則地面環(huán)境。,1.日本Tekken,Tekkn整個機體的重量是3.1kg，單個腿的重量0.5kg。每條腿有3個主動關(guān)和一個被動關(guān)節(jié)，分別是一個pitch髖關(guān)節(jié)、yaw髖關(guān)節(jié)和pitch膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)是被動關(guān)節(jié)，主要由彈性裝置和自鎖裝置構(gòu)成。,1.日本Tekken,2004 年 Boston Dynamics 發(fā)布了四足機器人LittleDog，如圖所示。LittleDog 有四條腿，每條腿有 3 個驅(qū)動器，具有很大的工作空間。攜帶的 PC 控制器可以實現(xiàn)感知、電機控制和通信功能。LittleDog 的傳感器可以測量關(guān)
3、節(jié)轉(zhuǎn)角、電機電流、軀體方位和地面接觸信息。鏗聚合物電池可以保證 LittleDog 有 30 分鐘的運動，無線通信和數(shù)據(jù)傳輸支持遙控操作和分析。,2、Little Dog,波士頓動力學(xué)工程公司還于 2005 年開發(fā)了形似機械狗的四足機器人，被命名為 BigDog，如圖所示。專門為美國軍隊研究設(shè)計，號稱是世界上最先進(jìn)的四足機器人。Boston Dynamics 公司曾測試過，它能夠在戰(zhàn)場上發(fā)揮重要作用為士兵運送彈藥、食物和其他物品。,3、BigDog,3、BigDog,2011年，東京大學(xué)的保典山田等研制出了一種機器人“PIGORASS”，它能實現(xiàn)類似于兔子的運動，能走，能跑并能完成兔子跳的運動
4、。它是通過CPU控制的壓力傳感器和電位器實現(xiàn)預(yù)期的運動，并且每個肢體都被設(shè)計成獨立運作，都通過一個簡單的仿生中樞神經(jīng)系統(tǒng)來工作。,4、PIGORASS,2010年，韓國漢陽大學(xué)的Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park研制成功了一種四足步行機器人“HUNTER”。它的每條腿都有三個主動關(guān)節(jié)，兩個帶被動關(guān)節(jié)。它的結(jié)構(gòu)參照四足動物狗來進(jìn)行設(shè)計的。被動關(guān)節(jié)被設(shè)計用來減少腿著地時受地面的影響，通過彈性裝置，能量就可以儲存與再利用。,5、HUNTER,2008年，瑞士洛桑理工大學(xué)的Simon Rutishauser, Alexander等研制出一種新型四足步行機器人，“Chee
5、tah”。它是以豹來作為仿生對象的，每條腿有兩個自由度，分別位于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)可以使用近端安裝RC伺服電機進(jìn)行驅(qū)動。圖中可看出，對于膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動力是通過鋼絲裝置來實現(xiàn)的。,6、Cheetah,該結(jié)構(gòu)中，前兩條腿比后兩條腿要短20%，目的是避免在邁大步距角的時候出現(xiàn)腿相碰撞的情況。腿的末端采用受電弓機構(gòu)的形式（其作用是使腿的最上、最下部分運動一致，同時減少自由度數(shù)目，簡化設(shè)計）。末端出的彈簧裝置在腿落地與離地時分別起到儲能、減小觸地影響，釋放能量的作用。,6、Cheetah,實驗,行走步態(tài)，姿態(tài)很低為了保持較高的速度與穩(wěn)定性。,Pace gait（單側(cè)同步步態(tài)），姿態(tài)會發(fā)生偏移，
6、向兩邊擺動。60cm用時0.9s。,雖然目前機器人研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，比如機器人運動過程中實現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，機器人能適應(yīng)不同的地面狀況作運動。但是，要實現(xiàn)高速運動仍是步行機器人研究領(lǐng)域中的一個難題，因為要實現(xiàn)這樣的運動，機器人的機械結(jié)構(gòu)、控制方法設(shè)計畢然與傳統(tǒng)的機器人不同，并且要考慮多種因素。,陸地上，速度最快的動物要屬獵豹了，雖然目前有很多研究者對狗與馬的仿生研究有了很大的進(jìn)展，但是有關(guān)獵豹的報道并不多。獵豹奔跑速度一般可達(dá)30m/s，一秒跨過距離是腿長的50倍，奔跑頻率更是達(dá)到了3hz。所以，以獵豹為仿生對象顯得很有意義。,獵豹奔跑時，足末端運動軌跡類似一個弧形的旋轉(zhuǎn)運動。奔跑過程中是
7、前腳先著地，并且前肢通常能使出2.5倍體重的力量，后肢能使出1.5倍體重的力量。力量越大，跳出的步幅也就越大，奔跑速度也就變快了。通常，能量儲存的位置為腿下部位置，像在髖關(guān)節(jié)幾乎就沒有能量的存儲。,7、獵豹機器人,2011年，美國加州HRL實驗室的M. Anthony Lewisyan和Matthew R. Bunting等人提出一種仿獵豹的腿部機構(gòu)。機構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計的前置能產(chǎn)生身體重量1.5倍的能量，從而達(dá)到類似獵豹的運動狀態(tài)，同時保證運動控制準(zhǔn)確性。,混合驅(qū)動器,蛤蠣殼材料,氣動驅(qū)動器,電機,該裝置通過電動機來調(diào)整位置進(jìn)行控制，從氣體驅(qū)動器給機構(gòu)注入能量來完成奔跑、小跑等步態(tài)。,動物腿部的
8、肌肉連接著兩個關(guān)節(jié)，奔跑時，當(dāng)一個關(guān)節(jié)處收縮時，該肌肉可使得另一個關(guān)節(jié)伸展，如此便完成了邁步的動作。該結(jié)構(gòu)中也存在這么一種“肌肉”，即氣動驅(qū)動裝置，它能使一個關(guān)節(jié)收縮時，另一個關(guān)節(jié)作好伸展準(zhǔn)備。,7、獵豹機器人,混合驅(qū)動器,若完全仿照動物結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，會使工作量加大，設(shè)計復(fù)雜。所以通常腿部結(jié)構(gòu)選擇1-3個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)1-3個自由度。 步行機器人關(guān)節(jié)的布置一般有四類：,a、四條腿為肘關(guān)節(jié)類型布置 b、四條腿為膝關(guān)節(jié)型布置 c、前兩條腿為膝關(guān)節(jié)類型，后兩條腿為肘關(guān)節(jié)類型 d、前兩條腿圍肘關(guān)節(jié)類型，后兩條腿為膝關(guān)節(jié)類型,1、小結(jié),第一部分介紹了國外近幾年步行機器人研究上的幾個成果。這些研究都是在仿
9、生學(xué)的基礎(chǔ)上，通過模擬動物骨骼結(jié)構(gòu)以及動物腿部自由度的布置，設(shè)計步行機器人。其中，有不少都值得我們借鑒。比如“HUNTER”，相對于傳統(tǒng)的仿狗機器人，它多了肩關(guān)節(jié)這樣的結(jié)構(gòu)。又如最后提到的獵豹機器人，它通過一種氣動裝置來模擬獵豹腿部的肌肉，進(jìn)而可獲得較高的奔跑速度。,單自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊,1、單自由度旋轉(zhuǎn)裝置,1、單自由度旋轉(zhuǎn)裝置,1、編碼器 2、電機 3、殼體 4、齒輪箱蓋 5、第一輔助齒輪 15、第二輔助齒輪 6、中心齒輪 7、諧波減速器組件 8、波發(fā)生器 9、波發(fā)生器連接法蘭 11、中空連接軸 16、第一角接觸球軸承 13、第二角接觸球軸承 14、第一平鍵 12、第二平鍵 10、第一軸用
10、彈性擋圈 17、第二軸用彈性擋圈 18、斷電制動器 19、驅(qū)動控制器 20、端蓋,2、一種I型單自由度機器人關(guān)節(jié)模塊,2、一種I型單自由度機器人關(guān)節(jié)模塊,1、伺服電機及光電編碼器組件2、關(guān)節(jié)套筒3、電機軸套4、電機座5、關(guān)節(jié)基座6、軸承端蓋7、軸承座8、角接觸球軸承及外軸套9、軸承端蓋10、內(nèi)齒輪11、關(guān)節(jié)輸出端連接件12、過渡齒輪軸13、過渡齒輪14、諧波減速器輸出軸15、中心齒輪16、小軸承端蓋17、軸套18、角接觸球軸承19、諧波減速器輸出過渡盤20、盤式諧波減速器組件,3、一種T型單自由度機器人關(guān)節(jié)模塊,3、一種T型單自由度機器人關(guān)節(jié)模塊,1、伺服電機及光電編碼器組件 2、關(guān)節(jié)套筒 3、電機座 4、關(guān)節(jié)基座 5、6角接觸球軸承及軸承套環(huán) 7、內(nèi)軸套 8、小錐齒輪 9、齒輪端蓋 10、關(guān)節(jié)軸端蓋 11、關(guān)節(jié)軸 12、關(guān)節(jié)蓋 13、大錐齒輪 14、關(guān)節(jié)輸出連接件 15、關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承 16、關(guān)節(jié)軸固定片 17、軸承端蓋 18、軸承端蓋 19、諧波減速器輸出軸 20、諧波減速器輸出過渡盤 21盤式諧波減速器組件 22電機軸套,謝謝！,
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