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擬人步行機器人的設(shè)計方案
雙足步行機器人本體的機械結(jié)構(gòu)是研究機器人的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到機器人后續(xù)的研究工作。以雙足類人結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，各研究結(jié)構(gòu)研制的雙足機器人在自由度，驅(qū)動方式，重量，高度與結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機器人結(jié)構(gòu)的不同，其控制的方式也有所不同。
兩足步行機器人是對人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對，下肢62對，背部112對，胸部52對，腰部8對，頸部16對，頭部25對之多的肌肉。從目前的科學發(fā)展情況來看，要控制具有400個雙作用式促進器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計步行機械時，人們只考慮移動的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。鄭元芳博士從仿生學的角度對類人機器人的腿部自由度配置進行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機器人的自由度配置。他認為髖部和踝部設(shè)兩個自由度，可使機器人在不平地面上站立，骸部再加一個扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機器人的腿部需要有7×2個自由度(骸關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)3個)。但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機器人還是擬人機器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機構(gòu)都選擇了6×2個自由度(踝關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)2個)，如:哈爾濱工業(yè)大學的HIT-m、國防科技大的“先行者”、本田公司的AsIMO和索尼公司的SDR和QRIO。具有6×2個自由度的機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復雜。按照在能完成研究目標的情況下，自由度最少的設(shè)計原則，在過去的四十年中，為了不同的研究目標，人們設(shè)計了許多具有不同自由度的兩足步行機器人，按照行走過程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機器人一般分為三類:
(1) 靜態(tài)機器人，這類步行機器人的COM(Censer of Mass)始終處于支撐多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線，雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi)，所以只能實現(xiàn)靜態(tài)行走；
(2) 動態(tài)機器人，這類步行機器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來保證它的ZMP點(Zero Momeni Censer)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走；
(3) 全動態(tài)機器人，這類步行機器人的踝關(guān)節(jié)沒有驅(qū)動，甚至沒有踝關(guān)節(jié)所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個點，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類機器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實現(xiàn)動態(tài)行走[8， 9]。
自由度數(shù)最少的兩足步行機器人只有一個自由度，如圖2.1所示。這類機器人沒有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機器人理論上只有一個自由度，實際上，為了防止擺動腿擺動時和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個平移自由度，這個機器人實際上有3個自由度。它的運動學模型是平面的，沒有側(cè)向運動，在徑向平面內(nèi)的運動象一個兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒有冗余自由度。這類兩足步行機器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動態(tài)機器人，在僅受重力作用時，可以在斜面上行走。
圖1 一個自由度的兩足步行機器人
雙足機器人的自由度配置
我們設(shè)計了一個雙足步行機器人模型，如圖2所示。顯著的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機構(gòu)能實現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動力源采用舵機直接動，這樣不但可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達到的最大角度，而且驅(qū)動源全為電機，便于集中控制和程序化控制。
圖3 雙足步行機器人模型
圖3模仿人類，肩關(guān)節(jié)三個自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度，但在機器人直線前進時只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮[5， 6]。