四足仿生機(jī)器人詳解.PPT

1、1四足仿生機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀2o 典型樣機(jī)（機(jī)械機(jī)構(gòu)特點(diǎn)）o 單自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊3典型四足步行機(jī)器人41、引言 傳統(tǒng)的步行機(jī)器人設(shè)計(jì)往往是一個(gè)很復(fù)雜的過程，為了達(dá)到設(shè)想的運(yùn)動(dòng)方式，就要進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)劃工作。而仿生學(xué)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，使得這一工作得到了簡化。動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式，自由度分配和關(guān)節(jié)的布置，為步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。 5 2003 年日本電氣通信大學(xué)的 木村浩等研制成功四足移動(dòng)機(jī)器人Tekken，如圖所示。該機(jī)器人安裝了陀螺儀、傾角計(jì)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(jī)制構(gòu)成控制系統(tǒng)，其中CPG 用于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，而反

2、射機(jī)制通過傳感器信號(hào)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Tekken6 Tekkn整個(gè)機(jī)體的重量是3.1kg，單個(gè)腿的重量0.5kg。每條腿有3個(gè)主動(dòng)關(guān)和一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)，分別是一個(gè)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(dòng)關(guān)節(jié)，主要由彈性裝置和自鎖裝置構(gòu)成。1.日本Tekken7 2004 年 Boston Dynamics 發(fā)布了四足機(jī)器人LittleDog，如圖所示。LittleDog 有四條腿，每條腿有 3 個(gè)驅(qū)動(dòng)器，具有很大的工作空間。攜帶的 PC 控制器可以實(shí)現(xiàn)感知、電機(jī)控制和通信功能。LittleDog 的傳感

3、器可以測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、電機(jī)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(yùn)動(dòng)，無線通信和數(shù)據(jù)傳輸支持遙控操作和分析。2、Little Dog8 波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司還于 2005 年開發(fā)了形似機(jī)械狗的四足機(jī)器人，被命名為 BigDog，如圖所示。專門為美國軍隊(duì)研究設(shè)計(jì)，號(hào)稱是世界上最先進(jìn)的四足機(jī)器人。Boston Dynamics 公司曾測(cè)試過，它能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮重要作用為士兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品。3、BigDog93、BigDog10 2011年，東京大學(xué)的保典山田等研制出了一種機(jī)器人“PIGORASS”，它能實(shí)現(xiàn)類似于兔子的運(yùn)動(dòng)，能走，能跑并能完

4、成兔子跳的運(yùn)動(dòng)。它是通過CPU控制的壓力傳感器和電位器實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，并且每個(gè)肢體都被設(shè)計(jì)成獨(dú)立運(yùn)作，都通過一個(gè)簡單的仿生中樞神經(jīng)系統(tǒng)來工作。4、PIGORASS11 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(jī)器人“HUNTER”。它的每條腿都有三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)帶被動(dòng)關(guān)節(jié)。它的結(jié)構(gòu)參照四足動(dòng)物狗來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。被動(dòng)關(guān)節(jié)被設(shè)計(jì)用來減少腿著地時(shí)受地面的影響，通過彈性裝置，能量就可以儲(chǔ)存與再利用。5、HUNTER12 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

5、機(jī)器人，“Cheetah”。它是以豹來作為仿生對(duì)象的，每條腿有兩個(gè)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖中可看出，對(duì)于膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力是通過鋼絲裝置來實(shí)現(xiàn)的。6、Cheetah13 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(shí)候出現(xiàn)腿相碰撞的情況。腿的末端采用受電弓機(jī)構(gòu)的形式（其作用是使腿的最上、最下部分運(yùn)動(dòng)一致，同時(shí)減少自由度數(shù)目，簡化設(shè)計(jì)）。末端出的彈簧裝置在腿落地與離地時(shí)分別起到儲(chǔ)能、減小觸地影響，釋放能量的作用。6、Cheetah14實(shí)驗(yàn)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)），

6、姿態(tài)會(huì)發(fā)生偏移，向兩邊擺動(dòng)。60cm用時(shí)0.9s。15 雖然目前機(jī)器人研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，比如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，機(jī)器人能適應(yīng)不同的地面狀況作運(yùn)動(dòng)。但是，要實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)仍是步行機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)難題，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制方法設(shè)計(jì)畢然與傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，并且要考慮多種因素。16 陸地上，速度最快的動(dòng)物要屬獵豹了，雖然目前有很多研究者對(duì)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(bào)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(duì)象顯得很有意義。17 獵豹奔跑時(shí)，足末端運(yùn)動(dòng)軌跡類似一個(gè)

7、弧形的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。奔跑過程中是前腳先著地，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(chǔ)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(chǔ)。187、獵豹機(jī)器人 2011年，美國加州HRL實(shí)驗(yàn)室的M. Anthony Lewisyan和Matthew R. Bunting等人提出一種仿獵豹的腿部機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)控制準(zhǔn)確性?；旌向?qū)動(dòng)器蛤蠣殼材料氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)19 該裝置通過電動(dòng)機(jī)來調(diào)整位置進(jìn)行控制，從氣體驅(qū)動(dòng)器給機(jī)構(gòu)注入能量來完成奔跑

8、、小跑等步態(tài)。 動(dòng)物腿部的肌肉連接著兩個(gè)關(guān)節(jié)，奔跑時(shí)，當(dāng)一個(gè)關(guān)節(jié)處收縮時(shí)，該肌肉可使得另一個(gè)關(guān)節(jié)伸展，如此便完成了邁步的動(dòng)作。該結(jié)構(gòu)中也存在這么一種“肌肉”，即氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，它能使一個(gè)關(guān)節(jié)收縮時(shí)，另一個(gè)關(guān)節(jié)作好伸展準(zhǔn)備。7、獵豹機(jī)器人20混合驅(qū)動(dòng)器21 若完全仿照動(dòng)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)使工作量加大，設(shè)計(jì)復(fù)雜。所以通常腿部結(jié)構(gòu)選擇1-3個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)1-3個(gè)自由度。 步行機(jī)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221、小結(jié) 第一部分介紹了國外近幾年步行機(jī)器人研究上

9、的幾個(gè)成果。這些研究都是在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，通過模擬動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)以及動(dòng)物腿部自由度的布置，設(shè)計(jì)步行機(jī)器人。其中，有不少都值得我們借鑒。比如“HUNTER”，相對(duì)于傳統(tǒng)的仿狗機(jī)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(jī)器人，它通過一種氣動(dòng)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。23單自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊241、單自由度旋轉(zhuǎn)裝置251、單自由度旋轉(zhuǎn)裝置1、編碼器 2、電機(jī) 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

10、12、第二平鍵 10、第一軸用彈性擋圈 17、第二軸用彈性擋圈 18、斷電制動(dòng)器 19、驅(qū)動(dòng)控制器 20、端蓋262、一種I型單自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊272、一種I型單自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊1、伺服電機(jī)及光電編碼器組件2、關(guān)節(jié)套筒3、電機(jī)軸套4、電機(jī)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283、一種T型單自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊293、一種T型單自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊1、伺服電機(jī)及光電編碼器組件 2、關(guān)節(jié)套筒 3、電機(jī)座 4、關(guān)節(jié)基座 5、6角接觸