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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(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)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(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)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(biāo),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(xué)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(dá)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]。