外文翻譯（中文版）-敏捷機器人腿的仿生設(shè)計

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87敏捷機器人腿的仿生設(shè)計摘要敏捷機器人腿的設(shè)計發(fā)展，已經(jīng)遇到了技術(shù)上的瓶頸。 本文介紹了敏捷的四足動物的腿仿生設(shè)計研究。 仿生腿提取關(guān)鍵原則的概念，從馬的腿是負責這些動物的敏捷和強大的運動。 建議給仿生腿模型定義有效的腿的長度，腿部運動，四肢質(zhì)量分布，執(zhí)行器電源，彈性能量等這五個關(guān)鍵要素的值。 對技術(shù)實例的轉(zhuǎn)移所提取的原理進行了詳細分析，考慮到可用的電流的材料，結(jié)構(gòu)和致動器。 仿生腿概念被提出后，一個真正的腿原型已經(jīng)開發(fā)。 其致動系統(tǒng)是基于串聯(lián)的彈性和磁流變阻尼器提供可變符合自然運動的混合使用系統(tǒng)。 從實驗評測樣機進行測評，突破了目前的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)了真正的仿生功能腿機器人設(shè)計，并得到行走敏捷運動動態(tài)的結(jié)論。關(guān)鍵詞： 腿式機器人，靈活的四足動物，仿生設(shè)計，新的驅(qū)動器的機器人1 敏捷機器腿的發(fā)展狀況1.1 機器腿運動吸引廣泛的領(lǐng)域的研究人員的興趣。 腿式移動裝置[1]成功的工程師，生物學家和神經(jīng)學家都集中他們的知識。 這項技術(shù)的主要動力來自政府，這給提高到一個重大的話題，通過由美國國防高級研究計劃局（DARPA）贊助的節(jié)目，在過去的10年[2]。 其中一些方案開始于2001 年，是最近結(jié)束的，而另一些仍處于打開狀態(tài)。 更多相關(guān)的例子是學習 LOCOMOTION 程序[3 ];大狗程序[4 ];人類性能的外骨骼增強計劃[5 ]和更近的足隊支持系統(tǒng)程序[6 ]。 然而，盡管這些機器人的研究和預(yù)測需求的強烈沖動[7 ]，在實際應(yīng)用中存在極少數(shù)的進步。 挑戰(zhàn)要求執(zhí)行機構(gòu)的自主權(quán)和大的功率 - 重量比傳統(tǒng)的驅(qū)動和控制技術(shù)，工業(yè)機器人繼承，最有前途的領(lǐng)域和腿式移動服務(wù)的應(yīng)用，表現(xiàn)出顯著的預(yù)期對未來社會的影響不足[7 ]。HADE （混合驅(qū)動器開發(fā)）項目[8 ]西班牙國家研究委員會（CSIC）開發(fā)的自動化與機器人中心的主要目的，在解決這個問題，通過建立一個新行的研究主要集中在特定的驅(qū)動和控制技術(shù)新一代的腿式機器人：敏捷的運動機器人。四足機器人，模擬其生物，是外地特派團在自然環(huán)境中的最佳選擇。 但是，它是公知的，目前的腿的運動器件具有高的復雜性和非常低的速度，特別是當高有效載荷運輸，到達生物的四足動物在天然環(huán)境中的性能。表1列出了最相關(guān)的四足機器人的開發(fā)在過去的12年中表示有效載荷的重量比和最大的無量綱的前進速度，已發(fā)表 的機器人的作者為從機械手的尺寸和速度計算 ，F(xiàn)R 是從[ 8]得到的弗勞德數(shù)，其中：88為 v 時 ， 前進速度; 克 = 9.81 毫秒 -2和 L， 特征腿的長表1 表現(xiàn)顯著的四足機器人的發(fā)展在過去的12年 在自然地形設(shè)計執(zhí)行的腿式車輛應(yīng)提供最佳性能對流動性，有效載荷和耐力。 這些規(guī)范由 DARPA 實施敏捷的地面車輛在的 UGCV 程序[ 9]。 這里使用了類似的面額為條腿的地面車輛，我們稱之為“敏捷”，如果它能夠達到一個無量綱速度 U = 0.54，并設(shè)有一個有效載荷重量比大于1，是與生物獸。 此外，四足機器人執(zhí)行使用高速步態(tài)（ 即 快步疾馳）必須使地面產(chǎn)生的動態(tài)沖擊負荷可能超過3倍的靜態(tài)負載支撐腿的推力[20]。 小跑或在一個動態(tài)的步行，兩條腿推力同時地面，兩腳共享的體重和有效載荷，所以每條腿的靜載荷是一個半機器人的重量，并且附加的有效負載。 因此，在每條腿的動態(tài)負載小跑步態(tài)機器人的重量和有效載荷可以達到1.5倍。 對于動態(tài)的步行，在每條腿的動態(tài)沖擊載荷約等于機器人的重量和有效載荷。 因此，一個靈活的機器人腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)確保負載能力機器人的重量比為1?1.5，這取決于所設(shè)想的步態(tài)。生物獸過渡的，從行走步態(tài)在0.54到0.7之間的一個無量綱的速度運行。 具體地說，馬過渡步行小跑，于 U = 0.59 [21 ]。 超過無量綱速度需要四足跑（小跑或奔馬）和一些復雜的地形可以阻止使用這些高速的步態(tài)，我們要考慮的腿式機器人的速度下限為0.54量綱速度利索。 看看 表1 注意到，很少有獸實現(xiàn)敏捷的運動性能，因為這些機器人具有量綱速度高 于0.54，幾乎可以忽略不計的有效載荷重量比。 雖然一些研究實驗室正在朝這個方向努力（斯坦福大學[22 ]，意大利技術(shù)研究所 [23 ]） ，現(xiàn)存唯一的機器人達到這些目標是大狗[4 ]，波士頓動力（美國）正在開發(fā)的四足動物（見 圖1 ） 。 大狗項目是由 DARPA，美國海軍陸戰(zhàn)隊和美國陸軍。 大狗項目的目標是建立一類的敏捷無人地面車輛越野機動性優(yōu)于現(xiàn)有的輪式和履帶式車輛。 目前建成的大狗機器人“實現(xiàn)這些目標采取的步驟，但仍存在顯著的工作要做” [4 ]。 不幸的是，技術(shù)底層的大狗的來龍去脈，不提供給研究界。89（a ） （b） （c）圖1 （三）國家最先進的敏捷的機器人：（一）KOLT，合資項目由斯坦福大學和俄亥俄州立大學，圖像由沃爾德倫教授;（二）HYQ，圖片由意大利技術(shù)研究所 ;大狗，圖像由波士頓動力學1.2 傳動系統(tǒng)供電的高速足機使用目前可用的驅(qū)動技術(shù)是一個挑戰(zhàn)。 這是尤其如此，如果機器預(yù)計將大力自主。 在動態(tài)運動，每條腿所經(jīng)歷的負載是至少三次，該腿部上的靜負荷，它可能會更加跑步步態(tài)。 建設(shè)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供所需的性能，為中至大型機器的動態(tài)運動的成本過高，即使不考慮有效載荷?？紤]到哺乳動物肌肉作為參考，產(chǎn)生了直接測量肌肉功能肌肉操作的通用的方式洞察。 它已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，肌肉作為電動機，制動器彈簧，減震器和支柱[24 ]。 自然肌肉的多功能性使其區(qū)別于任何人為的致動器，它可容納腿式移動的成功的關(guān)鍵。 在許多生物組織是難以區(qū)分的材料和結(jié)構(gòu)。 粘彈性材料的使用可以給機器人的彈簧 - 質(zhì)量能量循環(huán)條腿的動物運動的，這也降低了計算的復雜的控制能力。 粘彈性材料，大大簡化了力學的機器人，同時服務(wù)減震器，彈簧和完整的關(guān)節(jié)。彈簧質(zhì)量能量循環(huán)功能可以發(fā)揮關(guān)鍵的作用，一個腿車輛在動態(tài)運動。 動能只能進入系統(tǒng)時，腳在地面上。 這是必要的，以保持系統(tǒng)中，通過使用內(nèi)部的能量儲存，即，柔性致動的機械能。 此外，腿是一個機械振子，其固有頻率顯著不同的頻率來驅(qū)動它，它是大力昂貴[20 ]。 任何方式修改的固有頻率的腿，將有助于使其具有最佳的能量消耗在不同的頻率振蕩。 因此，需要遵守固有的適應(yīng)性[25 ]。 因此，要有效地運行動態(tài)條腿的車輛，高功率密度高力密度的快速適應(yīng)性遵守執(zhí)行器是必需的。 加入到這一充滿活力的自主性的預(yù)期。 很顯然，這些要求得不到滿足，按常規(guī)工藝[26 ]一起。HADE [ 8 ]是一個長期的項目旨在設(shè)計條腿的機器人，自然肌肉多功能的新一代高效節(jié)能，功率大，重量比致動器和高效節(jié)能運動控制計劃。 這種多功能性是通過合并，以提取性能最好，每一個不同的技術(shù)（智能材料和傳統(tǒng)技術(shù)）接近。 一些原型已經(jīng)進行了測試和表征[27 ]。本文介紹了一條腿的四足機器人的敏捷運動的仿生模型發(fā)展。 行走的哺乳動物的力量，速度，敏捷和耐力卓越的能力，關(guān)鍵的基本原則，像馬，在第2節(jié)的分析，并在90第3節(jié)，敏捷運動的仿生腿的典范轉(zhuǎn)移技術(shù)實例。 提出的概念上已實現(xiàn)了一個真正的原型。 第4節(jié)介紹的腿部設(shè)計，驅(qū)動系統(tǒng)和感官系統(tǒng)。 第5章描述了如何實現(xiàn)可變遵守腿關(guān)節(jié)。 腿部性能的實驗分析，以實現(xiàn)敏捷運動分析在第6，第7終于提出了一個討論所遇到的技術(shù)障礙在技術(shù)實例的仿生腿模型，并總結(jié)一些建議。2 用于賦權(quán)機器人腿的生物靈感正如上文所述，四足動物被認為是執(zhí)行靈活的運動時，它是能實現(xiàn)無量綱速度高達0.54，而攜帶至少等于其自身重量的有效載荷。 為了設(shè)計一條腿機制能夠為機器人提供這些功能，自然是最好的靈感來源。 馬的腿適應(yīng)的速度，耐力，敏捷和力量比任何其他動物的大小相等[28 ]。 這種調(diào)整是基于更長的腿比同類相對于身體大小的四足動物，它提供了更長的步幅長度。 馬腿的長度是最優(yōu)的運行，更長的腿可能會是困難的振蕩（長頸鹿無法小跑） 。 馬的腿比較長的原因是解剖的腳和腳趾的演變。 馬的腳已經(jīng)進行了大量修改，使這些動物成為強大的選手。 最顯著的變化是數(shù)字的位數(shù)減少他們保留只有一個單一的數(shù)字功能。 這個數(shù)字對應(yīng)于在人類中的第三趾（參見 圖2） ，并且能夠承受力很大程度上優(yōu)于那些由多位數(shù)腳趾支持。 此外，在跖骨已經(jīng)如此加長，它似乎較足的腿的一部分;人類跖骨位于在拱，如在 圖2中示出。 然而，與真正的腿骨，并不直接供電的肌肉。 相反，跖骨采用春天般的力量，從大量的韌帶。圖2 比較馬足和人的腳[28 ]馬后腿都比較輕巧，但強大到足以提供非常大的推力，并承受巨大沉重的負荷。 同樣，腿已經(jīng)進化到優(yōu)化使用其關(guān)節(jié)承重。 馬髖關(guān)節(jié)主要是向前和向后轉(zhuǎn)動大腿的鉸鏈。 綁架/內(nèi)收運動幾乎是可以忽略不計[ 29 ]。 同樣地，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)，球節(jié)關(guān)節(jié)（腳趾和跖骨之間的接頭）的1個自由度的關(guān)節(jié)。 因此，所有的肌肉和肌腱，他們的努力集中在簡單的關(guān)節(jié)運動。 而這一切有足夠的努力提供經(jīng)濟的耐力，這是通過肌腱的彈性能量存儲裝置的運動周期過程中的某些階段，這種能量的更緊急的階段購買返回。從本質(zhì)上復制所需的系統(tǒng)性能的過程中，要小心什么樣的問題必須被提取并翻譯的技術(shù)設(shè)計。 作業(yè)的 biomimeticist 是負責生產(chǎn)對生物系統(tǒng)所需的特性來識別這些元素，91并提取其生物功能的關(guān)鍵的基本原則，然后把它們翻譯成由它自己的人體工程學[30 ]是有限的技術(shù)實例。 我們不能簡單地復制自然，而是仔細地提取概念的描述，在技術(shù)上是可能實現(xiàn)的水平。 否則，直接拷貝的結(jié)果會產(chǎn)生一個次優(yōu)的逼近所需的性能。當設(shè)計功能強大的機器人腿，工程師可以決定以提取所需的特性是其出眾的速度，耐力，敏捷和力量的馬的腿。 為了翻譯這些特性的人工四足動物的腿，應(yīng)該被復制的關(guān)鍵要素已經(jīng)被總結(jié)在 表2中， 并列舉如下：有效的腿的長度直接影響到速度和耐力。較長的有效提高腿長步幅，因此腿速度，而更長的腿充滿活力降低運輸成本。 平均有效馬的腿的長度為 1.24米[31 ]，它代表了60％的水平馬長度從鼻子到尾巴[32 ]。沿著腿的質(zhì)量分布決定腿部運動的固有頻率，從而影響速度。表明，高速亞軍品種的馬，有更大的質(zhì)量比其他品種靠近髖關(guān)節(jié)。 具體腿質(zhì)量的80％-90％是位于在馬群大腿。 此功能有利于腿部運動的固有頻率高，有利于更高的步頻[33 ]。 加入到這一腿的質(zhì)量相對于體重的影響運動的靈活性。 該比率是在5％至8 ％，在馬。腿運動學影響步態(tài)能量和耐力 。 四肢馬的變動主要發(fā)生在矢狀面上，這是積極有利的，在行走的物種[29 ]。 此外，使用 1自由度關(guān)節(jié)優(yōu)化其關(guān)節(jié)的負荷軸承的使用，從而提高了結(jié)構(gòu)強度的動物。肌腱的彈性儲能提供的靈活性和彈性儲能，減少肌肉的功率要求，更充滿活力的迫切運動耐力和改善[34 ]。 的固有剛度，筋也影響肢體的固有頻率，這決定了支撐階段的持續(xù)時間[35 ]，從而影響腿速度 。肌肉力量的能力直接決定著關(guān)節(jié)的速度和肢體力量 。表2 主要元素和他們的影響力所需的馬的腿的特點考慮到這些關(guān)鍵要素，其作用在敏捷運動，概述一個敏捷的四足動物的腿的概念模型，并模擬其性能已經(jīng)。 這將在下一節(jié)詳述。3 仿生腿概念公式的推導上述基本原則馬力能力已提取并翻譯技術(shù)實現(xiàn)。 首先，一條腿的關(guān)鍵要素的概念，它包括已設(shè)計之后，其性能已經(jīng)通過動態(tài)模擬分析。3.1 有效腿長考慮到建立四足馬的大小會很難處理，在實驗室里，腿的長度，確保有效的腿的長度是60％的機身尺寸，將符合規(guī)格的縮放。 再現(xiàn)馬尺寸并具有可靠的原型之間的一92個折衷，65％的比例因子已被應(yīng)用于設(shè)計，因此，機器人的長度為1.2米，被認為具有有效的腿的長度為0.8米。3.2 腿運動學加入電子和執(zhí)行器的成本增加腿部質(zhì)量帶來的直接后果，控制平面四自由度冗余運動鏈的復雜性程度的自由度增加使不可行的發(fā)展一個確切的像馬的腿。 然而，選舉有利于減少冗余運動學關(guān)節(jié)力矩，從而執(zhí)行機構(gòu)的要求和功耗。 一種可能的解決方案是使用被動驅(qū)動一個或多個關(guān)節(jié)的彈性元件，然而，一個緩慢的小跑的聯(lián)合功率要求的分析（見3.4節(jié)）建議對純粹的被動驅(qū)動。 作為一個權(quán)衡，一個平面3自由度腿已經(jīng)概述三個環(huán)節(jié)：大腿，小腿和蹄子，通過連接1自由度的關(guān)節(jié)：髖，膝和球節(jié)關(guān)節(jié)組成。大腿的長度，小腿和蹄子是真正的馬的腿的加一個縮放系數(shù)達到的期望有效腿部長度成正比，考慮考慮，使用一個3自由度模型腿縮短腿總長度34％相比一匹馬的腿。 有效的腿的長度減少35％，再加上增長34％，在最后的1％的跌幅在各腿連桿長度的肢體長度的結(jié)果， 表3列出了最終的鏈路長度。表3 特色機器人的長度（米）基于 biomimetism圖3和 表4示出對于腿運動學，這對應(yīng)于傳統(tǒng)的三連桿平面結(jié)構(gòu)，運 Denavit-Hartenberg 參數(shù)。 根據(jù)這一公約，直接運動學模型提供蹄子的位置和方向的關(guān)節(jié)角度如下：有蹄 x 和 y 的位置和方向的位置 （ X 0， Y 0， φ） 分別在腿部的基本參照幀，和 θ 我與 i = 1 3編號從臀部到球節(jié)的關(guān)節(jié)角度。 參數(shù) a i 是相鄰的關(guān)節(jié)軸之間的距離作為測量的各鏈節(jié)的長度，對應(yīng)于 表3中所列的值。 在 公式（2 ） C I 和 S， 我 的意思是93COS（ θ） 和 sin（ θ） ， 分別，而表達式 C IJK 意味著 COS（ θ+θθJ + K） 和 S IJK 意味著罪（ θ+θ J +θK） 。圖3 機器人腿的運動學模型表4 運用 Denavit-Hartenberg 參數(shù)腿部模型3.3 質(zhì)量分布實驗測定馬四肢慣性性能上發(fā)表的作品顯示范圍廣，不同品種馬的腿段群眾的平均值。表5 總結(jié)試點工作進行6個荷蘭溫血馬的平均結(jié)果[36 ]。 考慮到我們的的腿模特帳戶與三通選擇鏈路群眾不能直接提取從生物的慣性數(shù)據(jù)，因此它在疊代的優(yōu)化方法在以后的比較，與 表5中所列的平均值進行。 在優(yōu)化方法，聯(lián)系群眾的一個運動周期的機械功率最小無量綱平均腿速度0.54 搜索。 成本函數(shù)給出由關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和關(guān)節(jié)速度，如下所示的商品上面的腿關(guān)節(jié)的機械動力的總和，由下式給出：94關(guān)節(jié)力矩是一個非線性函數(shù)所有肢體群眾的 米 ，長度，轉(zhuǎn)動慣量 A I I I 和關(guān)節(jié)角度，速度和加速度，腿的逆動力學模型給出：表5 實驗的平均值表示的馬腿段群眾公斤，摘自相關(guān)文獻[36 ]中，通過模擬3自由度的腿進行迭代搜索到最終的結(jié)果，分部質(zhì)量相對百分比相比 .數(shù)值求解上述優(yōu)化問題的計算是不可避免的。 因此，解決了通過一個迭代過程中，通過動態(tài)模擬的腿使用 Yobotics 模型！ 模擬建設(shè)集軟件[37 ]。 此動力學仿真包在麻省理工學院開發(fā)的腿在腿的運動控制算法分析實驗室， ，后來被商品化由 Yobotics 公司，從麻省理工學院分 拆公司。 圖4顯示結(jié)果的迭代過程臀部和編程的機器人仿真提供關(guān)節(jié)的位置，速度和轉(zhuǎn)矩根據(jù)鏈接的慣性特性，如質(zhì)量，質(zhì)量中心的位置和轉(zhuǎn)動慣量的的費瑟斯算法推導運動方程通過實施。膝關(guān)節(jié)，導致更顯著的變化，并最終優(yōu)化腿部質(zhì)量分布及其收斂性。圖4 迭代優(yōu)化腿部質(zhì)量分布，減少關(guān)節(jié)所需的功率。 收斂所示背厚線為2.5 公斤，1.9公斤和0.6公斤大腿（TH） ，小腿（CR ）和蹄（HF）分別為：（一）髖功率不同環(huán)節(jié) .迭代后，得到的腿質(zhì)量分布為2.5公斤，1.9 千克和0.6 公斤的大腿，小腿和蹄，分別代表50％， 38％和12 ％的最后一站的權(quán)重，結(jié)果5公斤。 從這樣的結(jié)果，通過比較與 表5 中所示的生物質(zhì)量分布的質(zhì)量相對應(yīng)的抑制跖骨似乎已分布在小腿和蹄上，以類似于馬腿的慣性屬性。 由此產(chǎn)生的質(zhì)量分布保持腿質(zhì)量上的腳部，在生物馬腿。953.4 執(zhí)行器的電源要求對應(yīng)的技術(shù)的哺乳動物肌肉關(guān)節(jié)的致動系統(tǒng)。 為了確定每個關(guān)節(jié)的致動器的要求，腿的運動再次模擬使用 Yobotics！ 設(shè)置模擬建設(shè)。 為了達到一個有效的腿的長度為0.8米的一個無量綱的速度為0.54，平均腿速度為1.5 米/秒命令后， 方程（1） ，并在腿中加入一個額外的有效載荷為12kg。 這些機器人的重量，這已被假定為大約12公斤，一個12 公斤的有效載荷，由機器人攜帶的二分之一的二分之一的12公斤帳戶。 因此，腿部假設(shè)移動敏捷的運動功能（無量綱的速度為0.54，支持動態(tài)負載和機器人的有效載荷重量為1） 。 運動控制器的詳細信息，可以發(fā)現(xiàn)在模擬中使用的參考[38 ]。圖5顯示畫面射擊模擬運動周期， 從動態(tài)仿真得到的關(guān)節(jié)扭矩，速度和功率的要求，示于 圖6 。圖5 序列的運動周期的仿真圖6 一個輕量級的關(guān)節(jié) HADE 的扭矩，速度和力量的要求在 1.5米/ 秒，背著12公斤的負載在一個運動周期運行的腿96圖6示出了髖關(guān)節(jié)的近150 Nm 的扭矩的立場階段開始時的高峰用電需求。 主要用于支持機器人的重量和有效載荷的轉(zhuǎn)矩施加于臀部和推動機器人前進，以實現(xiàn)前進速度為1.5 米/ 秒。 因此，臀部加速腿結(jié)構(gòu)，要求機械的瞬時功率為300瓦。 膝蓋也有助于推進，但在要求不高的方式。 在足尖離，膝蓋和球節(jié)做大部分的工作抬起蹄子。 該圖顯示了這種運動所需的大型合資速度，球節(jié)有一個220 瓦的功率要求。 腿擺動相似乎是降低功耗要求苛刻的運動。為了分析的適用性市售發(fā)現(xiàn)的功率要求的執(zhí)行器， 圖7顯示了通過的穆格模型消聲器 BN23-23ZL-03LH 的無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩圖。 該圖還顯示，重疊，從模擬獲得的共同要求的速度 與 轉(zhuǎn)矩的關(guān)系的形式繪制。 該圖顯示，電機選擇適合的規(guī)格范圍內(nèi)，壓縮比為1:290，1:180和1:190分別適用于臀部，膝蓋和球節(jié)關(guān)節(jié)。 雖然有些部分的關(guān)節(jié)運動軌跡電機間歇動作范圍的范圍內(nèi)，從 圖6中，我們可以觀察到的大的功率的持續(xù)時間跨度幾乎是瞬時的，持續(xù)時間少于50毫秒，這是支持由間歇電動機操作。因此，所選擇的電機適用于功率要求的應(yīng)用程序。 此外，具有重量輕（0.5公斤）和緊湊的設(shè)計提供了合適的電源的重量和功率與體積的比率。圖7 電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速圖平均0.54考慮一個重達5公斤的仿生腿的無量綱腿速度聯(lián)名要求重疊3.5 彈性儲能生物獸能量被儲存在肌腱在運動周期的某些階段，后來被釋放，在這些階段，需要有更大的功耗提供動能的腿。 一匹馬，這個精力充沛的轉(zhuǎn)換發(fā)生在其身體的幾個部位，但是在這里我們將集中精力彈性回縮，這確實是能量的主要來源，在馬的后腿肌腱。的彎曲和矯直的后腿，第一存儲，然后釋放出能量的使用筋的機制。 在馬，能量儲存在肌肉肌腱系統(tǒng)在支撐階段進行拉伸的粘彈性結(jié)締組織上半年期間。 在下半年支持儲存的能量回收的結(jié)締組織縮短[39 ]。97為了分析的精力充沛的優(yōu)勢，引入彈性能量回收的機器人腿，春天已經(jīng)連接到模擬的腿從臀部到球節(jié)。 的腿的運動速度為1.5米/ 秒的平均腿再次命令。 彈簧的剛度增加了在每個周期中， 圖8顯示了增加彈簧剛度對腿部的基本參照幀上的致動器所施加的垂直推進力的效果。 雖然模擬進行了不同彈簧剛度可達650牛頓/米的線性趨勢線繪制，以顯示較大的剛度的行為。 因為它可以被觀察到，只要彈簧剛度的增加，垂直施加的力由彈簧的增加，什么樣的結(jié)果在一個較低的致動器所提供的力的需求。 趨勢線交叉時980 N / m 的彈簧剛度和剛度放大推進彈簧施加的力超過由致動器所需的推進力。 圖9 顯示了如何在每個接頭處的峰值功率要求減少彈簧的剛度增加。 它還顯示在臀部和球節(jié)彈簧剛度較大的依賴，而膝蓋的力量顯示了輕微的變化。 最大模擬彈簧剛度650 N / MA 31％的電力減少由于彈性能量回收。 然而，值得注意的是，彈簧的剛度應(yīng)不會增加太多，因為過大的剛度將主宰腿部動態(tài)，而忽略了執(zhí)行機構(gòu)的作用從而產(chǎn)生一個純粹的彈簧 - 質(zhì)量系統(tǒng)沒有適應(yīng)環(huán)境的可能性。 在 圖10中示出的腿的彈性腿的速度的效果。 在該圖中，可以觀察到的是，雖然一條腿為1.5米/秒的速度指令，通過降低支持時間腿剛度的增加，產(chǎn)生了腿部的速度逐步上升。圖 8 彈簧剛度對垂直推進力由致動器在臀部，膝蓋和球節(jié)關(guān)節(jié)施加影響98圖9 彈簧剛度對髖，膝和球節(jié)關(guān)節(jié)所需的功率圖10 彈簧剛度對支撐階段的持續(xù)時間由于彈簧剛度值越大，支配腿部運動控制器的動態(tài)干擾，這種仿生腿模型，我們認為是一個彈簧剛度為650 N / m 的腿部控制性能和電源效率之間的權(quán)衡降低功耗在31％。仿生腿本文提出的概念，一個真正的腿原型設(shè)計，開發(fā)和測試。 第4節(jié)提出的設(shè)計過程和最終的原型，而下面的章節(jié)將深入實驗運動。 最后給出結(jié)論翻譯機器人原型的仿生功能的有效性。4 機器人敏捷運動的關(guān)鍵腿寶貴的指導從 biomimetism 獲得的 HADE 腿已經(jīng)設(shè)計：它是一個比較長的腿有三個1 自由度的關(guān)節(jié)，設(shè)有質(zhì)量分布，從而降低鏈路質(zhì)量遠端連結(jié)，所推進的一系列彈性驅(qū)動。 11顯示圖片 HADE 腿類似于馬的解剖后排腿部。 本節(jié)的其余部分將開發(fā)的99細節(jié)腿設(shè)計，運動學和驅(qū)動系統(tǒng)的選擇。圖11 第一架原型機的 HADE 腿像一匹馬的腿4.1 原型設(shè)計與制造。在 圖12 中所示的第一個原型的 HADE 腿的設(shè)計。 這是一個平面的三個環(huán)節(jié)：大腿，小腿（包括跖骨）和蹄，通過髖，膝和球節(jié)關(guān)節(jié)連接組成的三自由度腿。 的每一個環(huán)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)已被設(shè)計，以實現(xiàn)大的有效載荷的重量比，并提供沖擊的耐受性。 蹄被賦予提供減震和阻尼橡膠墊在地面的接觸，也增加腳與地面之間的摩擦提高水平推進。圖12 第一個原型 HADE 設(shè)計法例（一）表明該 MR 在膝蓋處的旋轉(zhuǎn)式阻尼器中放100大的視圖;（二）的致動器的反向視圖大型有效載荷的重量要求的結(jié)構(gòu)可以達到制造的機械結(jié)構(gòu)，使用 ALUMEC 89，高強度的鋁合金，經(jīng)歷了一個特殊的冷拉伸操作的最大應(yīng)力救濟。 這種材料被用于航空航天工業(yè)中，它顯示出最佳的有效載荷重量屬性。 不幸的是，這些特殊合金只在前往航空航天業(yè)的大公司，它不是未能取得 ALUMEC 89的機器人腿原型制造。 因此，對于測試仿生腿的概念的性能的目的，腿已在7075鋁制造，顯然牢記的重量增加，最終原型將遭受由于不同的材料的機械性能。機械 表6比較鋁7075和 Alumec89屬性。表6 鋁合金的機械性能表7顯示鏈接的第一架原型機的尺寸和質(zhì)量。 中心的質(zhì)量和慣性張量的位置被稱為聯(lián)合運用 Denavit-Hartenberg 的慣例，如在 圖3中示出的參照幀。 關(guān)節(jié)的運動范圍和腿部的運動，已詳載于附錄。表7 物理參數(shù) HADE 腿原型1014.2 驅(qū)動系統(tǒng)為了選擇為 HADE 腿的致動器，所觀察到的關(guān)節(jié)要求調(diào)回考慮的傳輸系統(tǒng)中的電機。1. 執(zhí)行器的要求由于不同的鏈路群眾腿原型功能仿生腿的概念相比，已經(jīng)確定執(zhí)行機構(gòu)要求修改模擬與真實原型的慣性參數(shù)。 為了確定電機的要求，從模擬運動周期得到聯(lián)合轉(zhuǎn)速 - 轉(zhuǎn)矩軌跡已在電機特性曲線圖繪制，考慮執(zhí)行機構(gòu)的效率和減少傳輸率，這是載于附錄內(nèi)。 這些圖在 圖13中所示。圖13 電機的轉(zhuǎn)矩- 速度圖和真實的腿原型制造的鋁 7075（一）平均腿的速度為1.5米/秒;（二）平均腿的速度為0.5米/秒的共同要求低致動器的重量，致動器功率超過400瓦特（考慮的電氣 -機械的效率為90 ％） ，緊湊性和大的速度的要求都達到的無刷 DC 馬達。 圖13 （a）示出的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩穆格圖消音器 BN23-23ZL-03LH。 該圖還顯示基于從真正的原型運行于1.5米/秒的模擬得到的轉(zhuǎn)速 - 轉(zhuǎn)矩軌跡的共同要求。 可以觀察到的所有三個聯(lián)合軌跡超出電機運行區(qū)域。雖然膝蓋和球節(jié)可配合具有較低的減速比，沒有辦法滿足髖使用選定的電機的要求。不幸的是，選擇一個更大的電動機功率會產(chǎn)生一個額外的重量和尺寸，這將再次增加鏈接群眾，所以我們最后決定實施初步選定的直流無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以速度降低成本。 圖13 （二） 表示真正的腿，在0.5米/ 秒的移動，以使所選擇的致動器可以提供腿部運動的同一電機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩圖。驅(qū)動系統(tǒng)包括彈性的要求補充需要一個精確的力控制計劃，我們用系列彈力執(zhí)行器（SEAS） 。 具體來說，Yobotics SEA23-23入選。 接下來的段落會詳細解釋該致動器系列彈性的效果。2. 系列松緊驅(qū)動已添加到上述的電源要求，所需的致動系統(tǒng)的彈性行為可以得到滿足通過和電機之間的聯(lián)合的系列彈性。 HADE 腿使用的系列彈力執(zhí)行機構(gòu)（ SEA） ，一家專為力控制的機器人系統(tǒng)的執(zhí)行器。 他們被設(shè)計在麻省理工學院腿實驗室，他們目前商品化由Yobotics 公司，他們是 backdriveable 的耐沖擊和振動，標準的執(zhí)行機構(gòu)。 在間歇操作中，該致動器的功率 - 重量比為600瓦/千克，它可以裝在 HADE 腿要求附近。 海102洋是低運動，高力-重量，高功率-重量執(zhí)行器，采用一種新型的機械設(shè)計架構(gòu)， “圍追堵截”[40 ]對普通機床的設(shè)計原則。 它們是由電動機和傳輸負載，但是他們有一個彈性元件的傳輸和負載之間串聯(lián)連接的。 圖14示出的 Yobotics SEA23-23和 圖15的照片顯示了一個簡單的一般圖大海。圖14 Yobotics SEA23-23圖15 系列彈性驅(qū)動器的示意圖[40 ]在策略性環(huán)，僵硬稱重傳感器替換一個兼容的元件，彈簧，從而提高了魯棒性和穩(wěn)定性，并降低了成本。 春天讓我們來間接測量通過測量彈簧的偏轉(zhuǎn)聯(lián)合部隊。 這意味著，它實際上是一個換能器。 此外，彈性元件使機械致動器的低輸出阻抗，它通常有高的輸出阻抗與傳統(tǒng)的致動器具有高的功率 - 重量比的對比度。在海洋中使用的電機具有良好的定位精度，提供一個良好的力輸出。 更好的電機可以調(diào)節(jié)彈簧位置，清潔彈簧力輸出。 此外，彈性元件過濾器的噪聲和方便的力的增加，控制器的增益范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。 作為一個整體，海洋改善傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)力控制響應(yīng)。在本節(jié)規(guī)定的所有驅(qū)動滿足 Yobotics SEA23-23在 圖14所示的臀部和球節(jié)關(guān)節(jié)。 相同的驅(qū)動器使用一個5毫米的鉛滾珠絲杠。 表8列出了執(zhí)行器的規(guī)格為三大關(guān)節(jié)HADE 腿膝關(guān)節(jié)的要求得到滿足。表8 執(zhí)行器的規(guī)格1034.3 感官系統(tǒng)HADE 腿系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視裝置，在每個接頭處的扭矩和位置測量，并且測量的地面反作用力。 聯(lián)合力和位置傳感器測量扭矩和角度位置，每次出海，都包含在，而地面反作用力收購力傳感器放在墊蹄。 由致動器的力測量采用線性編碼器測量彈簧的偏轉(zhuǎn)，從而計算利用胡克定律的負載力。 上面的致動器的位置傳感器的線性編碼器測量位移的軸。 這些編碼器的規(guī)格列于 表8中 。墊的力傳感器來測量地面反作用力是霍尼韋爾的微型精密負載細胞模型34（P / N AL312CR） 。 該傳感器放在墊（ 見圖16 ）來衡量垂直地面部隊從 9.8牛頓2200 N.傳感器信號由一個16 位 A / D 轉(zhuǎn)換器，它提供了一個分辨率 2.10 -13 牛頓 收購。 達到0.15％-0.25％滿量程精度高。 離軸負荷的殘余的影響最小化。104圖 16 （一）霍尼韋爾精密微型稱重傳感器 ;（二）傳感器安裝蹄上的 HADE 腿垂直地面反作用力由運動控制器使用，以保持所需的地面接觸力的立場階段 圖17示出垂直地面力量在蹄腿行走在0.5米/秒在一個運動周期，然后比較它們與模擬機器人的力量，走在1.5米/秒，假設(shè)一個輕量級的腿設(shè)計。 該圖顯示了急劇的影響的循環(huán)開始時開始的立場相一致的到地面。 這種影響似乎軟化在較低的速度，如0.5米/ 秒，雖然較大的負載考慮所涉及的鏈路權(quán)重的增加，在目前的腿原型。圖 17 地面反作用力的腿走在1.5米/秒（仿生設(shè)計） ，走在0.5米/秒，真正的腿原型5 關(guān)節(jié)約束的控制原理5.1 主動約束的規(guī)則系列提供了良好的彈性力控制在關(guān)節(jié)處，并增加了一些沖擊耐受的機制。 此外，它從負載的電機慣量分離，使微小的位置誤差將通過彈性元件吸收，防止控制系統(tǒng)的反應(yīng)不可預(yù)料的影響。 遵約控制器編程，在海上執(zhí)行器響應(yīng)帶寬內(nèi)模仿所需的動態(tài)行為。在這種情況下，控制致動器的帶寬是35赫茲，然后在 0-35赫茲的范圍內(nèi)，控制器105允許的行為像一個彈簧阻尼器的致動器。 顯示的遵守控制方案的框圖在 圖18 ，其中?? 是彈簧-阻尼系統(tǒng)對應(yīng)的機種， 克 C 是內(nèi)環(huán)路控制器的傳輸函數(shù) ， G P 是致動器的傳輸函數(shù) ， K S 是模具壓縮彈簧常數(shù)， ， F i 和 所需的力量，施加力，力參考。 最后， ， S i 和 所需的位置，裝載位置和致動器的位置。 選擇 G Z = K（ 1 + BS） 和通過修改所需的彈簧 -阻尼系數(shù) K 和 b，被修改，它可適應(yīng)不同的腿部速度和地面剛度的機械阻抗。 圖19示出了該系統(tǒng)的 Bode 圖一個理想的彈簧阻尼器系統(tǒng)（粗線） ，這表明，用于控制致動器的帶寬以下的頻率（35赫茲） ，控制致動器的行為像一個彈簧 - 阻尼行為（細實線）重疊。 這些屬性在很大程度上提高了適應(yīng)在高速運動到地面。圖18 SEA 合規(guī)控制方案框圖圖19 （細實線）與理想的彈簧-阻尼系統(tǒng)（粗線）重疊的致動器的阻抗的 Bode 圖106內(nèi)力控制器是基于常規(guī) PID 控制，直接作用于海的功率放大器當前命令。 圖20 圖18顯示內(nèi)力控制方案的框圖。圖20 聯(lián)合部隊的 PID 控制的基礎(chǔ)上5.2 膝蓋可控式被動阻尼特別需要在膝蓋的主動阻尼以達到自然的運動[41 ]。 這種主動阻尼可以提供有效的合規(guī)控制致動器的裝置，但是，在能源消耗的成本考慮，膝蓋大多在步態(tài)周期的耗散功率。 但是，強烈要求減少由致動器所消耗的能量，在這些應(yīng)用中能量效率的主要目標是在阻尼運動。 因此，使用一個被動減振裝置可控阻尼系數(shù)是可取的。在這個項目中一個耶和華 RD-2087-01磁流變（MR）旋轉(zhuǎn)阻尼器已放置在膝蓋膝關(guān)節(jié)阻尼主動控制沿步態(tài)周期（參見 圖21（a）條 ）測試的效率。 磁流變剎車和阻尼器電阻驅(qū)動器基于磁流變流體，一種智能材料的的家庭 Magnetoactive [26 ]。 該 MR的旋轉(zhuǎn)式阻尼器的設(shè)計 圖圖21（b）所示：貼在大腿上的外殼包含膝蓋軸連接的轉(zhuǎn)子。 的 MR 流體填充在轉(zhuǎn)子與外殼之間的空間。 有連接到所述外殼上的線圈，轉(zhuǎn)子和線圈之間的 MR 流體留下一個小的空間。 作為由線圈的電流流通，施加磁場時，產(chǎn)生了顯著的變化，這是由于對應(yīng)的 MR 流體成鏈的鐵磁性顆粒的磁流變流體的流變特性的MR 流體。 其結(jié)果，在轉(zhuǎn)子和殼體之間，從而增加了電阻的扭矩輸出的剪切應(yīng)力增加的結(jié)果小于10 -2響應(yīng)時間來實現(xiàn)。 扭矩的增加，阻尼轉(zhuǎn)子直接依賴于施加的磁場，并與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的增加而線性，從而提供了可控的粘性旋轉(zhuǎn)阻尼。 磁流變液的工作原理的詳細背景（MRF ）的設(shè)備，可以發(fā)現(xiàn)在參考文獻[42 ]。 圖12顯示的 HADE 腿膝蓋內(nèi)側(cè) MR 旋轉(zhuǎn)阻尼器的整合。 的 MR 旋轉(zhuǎn)式阻尼器的最大功耗為1 12 VDC 時的最大電阻為4 Nm 的扭矩。 圖22顯示了典型的轉(zhuǎn)矩-電流曲線對 MR 的制造商所提供的旋轉(zhuǎn)式阻尼器。107圖21 （一）耶和華 RD-2087-01旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器;（二）安裝計劃圖22 典型耶和華 RD-2087-01 MR 旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩-電流曲線使用 MR 旋轉(zhuǎn)阻尼器，用于海洋主動運動，被動 MR 旋轉(zhuǎn)阻尼器阻尼進行。 MR旋轉(zhuǎn)阻尼器是通過磁流變阻尼器制造商所提供的設(shè)備控制器套件指揮。 該控制器的移動設(shè)備提供閉環(huán)電流控制，以補償變化的電負載的電源的限制。 作為一個接口裝置，用于計算機控制的磁流變阻尼器操作的控制器裝置。 當連續(xù)的0至5 VDC 信號被發(fā)送到控制器設(shè)備，它的命令成比例的脈沖寬度調(diào)制的電流信號，其中0％的占空比匹配0和100％的占空比匹配 1A。 的有限狀態(tài)機切換之間的立場和搖擺狀態(tài)和變化的電壓輸入到控制器的移動設(shè)備，這反過來又改變膝關(guān)節(jié)的阻尼系數(shù)。 有限狀態(tài)機開關(guān)立場時擺動腳/ 地面反作用力感覺到立場狀態(tài)變?yōu)? N 和回報時，地面反作用力達到10 N. MRF 控制方案的框圖 如圖23所示。108圖23 膝關(guān)節(jié)被動阻尼的磁流變阻尼器控制方案框圖控制器增益手動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了自然的運動，這是1.45 Nm 的弧度-1 s 在支撐階段和0.9牛米，弧度秒-1擺腿階段。（6） 實驗步態(tài)為了測試的 HADE 腿敏捷運動的性能，實驗已經(jīng)進行的速度和負載能力。腿部上運行的空氣已被執(zhí)行的第一實驗。 腿部運動運動控制器進行詳細參考[38 ]，它是基于一個狀態(tài)機，命令三個獨立的合資控制器，每個關(guān)節(jié)之一，已經(jīng)在第5節(jié)。在膝蓋的磁流變阻尼器控制器使用在第5節(jié)在揮桿過程中受潮柄慣性。圖24 示出的運動周期中的快照。 在此實驗中的視頻可以被發(fā)現(xiàn)在[8 ] 圖25示出了在6 個運動周期后步態(tài)控制器所給定的參考軌跡的髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和球節(jié)的軌跡。 在這個實驗中取得的最大的循環(huán)速度為0.6米/秒，用腿周期持續(xù)時間為1.2 s，半揮桿和立場相的一半。 在空中運行的腿已進行這些實驗，已經(jīng)通過驗證的能力，該系統(tǒng)敏捷運動過程中與腿的動態(tài)解決。圖 24 序列運動周期的 HADE 的腿109圖25。實驗聯(lián)合軌跡（粗線）和模擬聯(lián)合軌跡（細線） （一）髖關(guān)節(jié);（二）膝蓋;（三）球節(jié)。第二個實驗進行腿部支持階段，它已經(jīng)吩咐運行膝蓋屈伸周期的頻率越來越高，而髖關(guān)節(jié)背著13公斤的有效載荷。 HADE 腿能夠運行在每秒 1.2次，同時搭載了13公斤的有效載荷。 這個頻率提供的最短持續(xù)時間的立場相，0.83及●。 添加到擺腿在以前的實驗中，最小總周期時間 ，背著13公斤的有效載荷時的持續(xù)時間是 1.33?。 步幅0.7米，產(chǎn)生一條腿的最大速度平均為0.54米/秒。 圖 26顯示了在循環(huán)運動的磁流變阻尼器的激活和失活。 在此實驗中的視頻可以被發(fā)現(xiàn)在[ 8 ]和兩個快照對應(yīng)于膝關(guān)節(jié)伸110展膝關(guān)節(jié)屈曲分別示于 圖27 。圖26 實驗的膝致動器的運動軌跡和功率消耗在循環(huán)屈伸運動，攜帶一個12公斤的有效載荷，以支持腿的膝關(guān)節(jié)的磁流變阻尼器圖27 一個13公斤的有效載荷在髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)屈伸的實驗周期速度（0.54米 /秒）的最后一站，最初估計的致動系統(tǒng)的規(guī)格（0.5 米/秒）的分析過程中稍微大一點。 這種輕微的改善可能是由于彈性回縮在海洋。 的 SEA23-23的彈簧剛度是3×10 5 N /米，和彈簧偏轉(zhuǎn)最多為7 毫米，這會導致在最大勢能 9.5 J 與被轉(zhuǎn)移到接頭動能，提供一個附加的速度0.04米/ 秒左右的腿部。 然而，這種彈性能量回收量仍然是遠離我們的仿生腿的概念中指定的彈性能量的31 ％。Go to:7 討論和結(jié)論111傳統(tǒng)腿式機器人的設(shè)計取自于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人工程的原則和經(jīng)驗。 低性能條腿的機器人已經(jīng)施加精確的軌跡跟蹤在關(guān)節(jié)僵硬的腿，傳統(tǒng)電機驅(qū)動的結(jié)果。 新一代的腿式機器人，目標是在耐力，爆發(fā)力和敏捷行上與動物相似，模仿生物行為的成功，是能找到仿生設(shè)計和步態(tài)控制器的關(guān)鍵。這項工作已經(jīng)發(fā)展概念的基礎(chǔ)上提取這些關(guān)鍵的原則，發(fā)揮了顯著的作用，敏捷，力量，速度和耐力的生物獸敏捷的機器人腿。 具體地說，這項工作中找到靈感的馬的腿，因為其優(yōu)越的敏捷運動的特點。 腿模型，加入提取的關(guān)鍵因素動態(tài)模擬顯示出潛在的改善人工敏捷腿運動。但是，這份文件表明，它不僅是從自然界中提取敏捷運動的主要原則的問題。 事實上，高效的仿生原型的開發(fā)成功在很大程度上依賴于提高技術(shù)的關(guān)鍵因素，目前限制了性能的仿生設(shè)計。 在本文中，一個真正的仿生腿原型已提交。 困難工程仿生原型到最終實現(xiàn)敏捷運動的最終目標：機器人的無量綱速度無法超過0.54和有效載荷的重量比1 和1.5 之間進行的關(guān)鍵原則。 雖然已經(jīng)過測試，負載能力，腿不能夠走路速度比0.54米/ 秒，從而導致無量綱速度為0.2，低于最初的目標幾乎三倍。 這種故障的原因是主要的結(jié)構(gòu)材料使用了不符合最初的規(guī)格，或需要致動器具有較大的功率 - 重量和功率與體積的比率。本文提出了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，需要沖動的研究，以開發(fā)功能完善的敏捷腿的光線進入。這些關(guān)鍵因素是：堅固而輕巧的材料和結(jié)構(gòu)，研究界不僅在抵達大公司的發(fā)展。具體執(zhí)行器具有大的比功率和扭矩，功率密度大。在結(jié)構(gòu)中，或在致動器固有的遵守。 該系列目前的海洋表現(xiàn)出彈性，結(jié)果沒有足夠的彈性回縮。 作為力傳感器在海洋中的春天，因為這個原因，非常小的變形，需要一個非常大的剛度，如果需要測量大部隊。 因此，結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)包括作為結(jié)構(gòu)的一部分，作為粘彈性筋。 偏轉(zhuǎn)較大的筋，較大的潛在的彈性能量回收。除了識別需要改進的技術(shù)因素，本文已經(jīng)顯示出一個混合體，聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)基于一系列彈性和磁流變阻尼器已經(jīng)過測試，實現(xiàn)了標準，自然的一種高效節(jié)能的時尚運動的有效性。 SEA 和磁流變阻尼這種組合已經(jīng)過測試，在一個真正的腿原型，HADE腿。在關(guān)節(jié)的內(nèi)部控制回路，已經(jīng)執(zhí)行力控制策略，以提供兼容的關(guān)節(jié)運動，這將提高結(jié)構(gòu)的魯棒性，并提供安全與環(huán)境的相互作用。