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外文資料名稱： of a 文資料出處： 0006 附 件： 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日 1 仿生物脊柱的人形機器人 設(shè)計 洛倫佐 , 佛羅里特 , 安德里亞 譚艷 譯 摘要 ： 本文描述了有 3 個自由度的娃娃形的 器人。這項工作強調(diào)人行機器人必須有人的外部特征和人機性能，其目的是為了提高人機的互動 。 設(shè)計一個仿人脊髓的機器人要滿足脊椎設(shè)計要符合能提供仿人形機器人能順利像人一樣前進，側(cè) 身彎曲。 索 引指出 - 仿生 物 脊柱 ， 仿 人形 軀干 1 引言 1][2]。自從 1998以來， 3]， [4]。這些研究相比人類的特性可能在孤獨癥孩子興趣上有所相同。因此，表達人類的特征，機器人的身體特性和機器人的行為特征，在 們在這里 (參見圖 1 )描述，將找到有關(guān)人類機器人作用在各種各樣的工作中的一項應(yīng)用，在我們的實驗室里實施，參見 [5][6]。 在 [8]中，我 們提出一種機器人模型，其手臂有 7個自由度，為了拓寬視野眼睛有 3個自由度。在本文中我們介紹了有關(guān)節(jié)脊椎的機器人的近來發(fā)展情況，使其賦有與人類相似的運動。我們在設(shè)計各階中都做了相關(guān)的報告，花費了很多時間來設(shè)計解決方案。雖然在理論上可行，但在實踐中出現(xiàn)一些不符合實際的情況。盡管這比較罕見，我們相信文獻只趨向于對加工的最終模型進行發(fā)表。在某些情況下，不能實行的解決方案也是有教育意義的，特別是這些方案在設(shè)計中被證明是錯誤的情況下。 2 產(chǎn)品 現(xiàn)狀 從越來越多的機器人研究來 設(shè)計仿人機器人 。 但是 ， 這些作品絕大多數(shù)遵循一個相對 標準 的驅(qū)動方式 來 設(shè)計機器人的軀體 。 這樣的例子包括 :本田機器人]， 索尼的 10]等。 所有這些 ，一般 有兩個自由度 。 而 仿 人機器人 有3 個自由度。 但更多數(shù)的解決辦法遵循了仿生設(shè)計 。 比如 ， 5]、[16]機器人， 是 在東京大學(xué)開發(fā) 的，它們提供兩個脊椎關(guān)節(jié)，模仿人體脊柱。 人脊椎 有重疊的 24個腰椎。 每個椎骨之間是一種減振器，不斷 與 骨頭相碰 ， 每個椎骨由其 持有的韌帶群 。 脊柱關(guān)節(jié)也稱為節(jié)點 ， 椎關(guān)節(jié)連結(jié)在一起，使他們 之間有 靈活性。 2 平均運動范圍有正負 30度的屈伸，正負 40度收展和 30度的旋轉(zhuǎn) 。圖 1 前機樣 圖 2 老師在演示有彎曲軀干的仿人機器人 10個節(jié)點 3自由度關(guān)節(jié)組成， 大體 模仿人體的脊椎椎體 。 40個驅(qū)動器 用來驅(qū)動控制脊柱 (見 [15])。 脊椎關(guān)節(jié)靈活分為五層， 他們 隔著一層橡膠。 杳與脊柱的天然橡膠的彈性變形約束和預(yù)處理一個側(cè)面，這種平衡點就在于垂直直線位置 。 8 個電纜與驅(qū)動器之間有筋鎖骨和骨盆將整個脊椎連在一起 (見 [15])。 而這些在許多方面都是最好的腰桿設(shè)計 ， 合小型機器人并不需要太多的驅(qū)動 和身體的 。 這里也存在其他機器人，這些機器人不具有人的特點 ， 例如克萊姆森大學(xué) [17]的各種 各樣象蛇一樣的 機器人的軀干 (例如 [18]， [19])， 這些 提供有趣的解決辦法。克萊姆森大學(xué)的大象的軀干 用 二自由度關(guān)節(jié) 將 磁盤 驅(qū)動 連在一起。 這些磁盤驅(qū)動用電纜來驅(qū)動系統(tǒng)主干。 在 兩盤 之間，當軀干在一個筆直的位置中時 共有 4個彈簧 創(chuàng)造一個平衡點 。像蛇一樣的機器人在上面用氣動的泵驅(qū)使。 機器人 [18]的 圓 盤驅(qū)動每個之間 由 三個氣動組成。 [19]， 通過各支柱控制其不同的部分。 兩個部分之間，有一個氣 動 和 2個 自由度聯(lián)合。 這些機器人提供有趣味解決方案， 尤其是在其驅(qū)動系統(tǒng) 。然而，這些機器人被用來水平地支持一種低的裝載的結(jié)構(gòu) ，因而 ， 它 們 的脊梁 像 兩條腿 一樣 站立 ，具有人的特點的機器人，不被用來在高的壓縮下面工作。 3 圖 5 用萬向壓縮彈簧連接兩椎體保證其穩(wěn)定 圖 6 用萬向壓縮彈簧連接兩椎體保證其 穩(wěn)定 3 機械設(shè)計 ， 身體特征相似人類嬰兒。 項目是機器人研究的一個潮流，強調(diào)需要一些機器人承擔人類的身體特征和容貌 ，以及 其提案提高人體運動學(xué)功能增強了人機間的互動 。 例如 : [20]， [21]， [22]， [23]。 如 上面所說 使用 3]有 多項限制，其設(shè)計包括其規(guī)模小，重量輕， 其特點是成本低，熟悉和審美。 為了保證 我們采取了參考的平均 尺寸 60公分的 商業(yè) 玩具， （ 見圖 3） 最大重量 4千克 。 這些限制都被用作設(shè)計 例 :7個 自由度手臂、 3個 自由度的眼睛和 3個 頸部自 由度 [8]， [24]。設(shè)計脊椎骨 有 下列 條件 被限制 : 1) 脊椎必須足以支持負重達近 2千克 (見圖 12)。 2) 脊椎骨必須足以滿足小，圓柱體 直徑 120毫米、高 210毫米。 3) 重量不得超過 4) 驅(qū)動最多三個馬達，廉價和易 于 控制的一種控制器 (袖珍型 )。 5) 脊柱彎曲必須能夠提供每 個 方向角度 正負 40度。 盡管 有 幾 種人形 脊椎的機器人，見 [15]， [16] 并已經(jīng)介紹，但沒有適合上列因素 。 大并有有太多驅(qū)動。 但是還有太多的驅(qū)動器 ，它不適合進行負荷為 2千克的機器人 ，導(dǎo)致 頭部 屈曲的問題 ，所有部件重要支撐負荷 (四肢關(guān)節(jié)總量比例 ) 仍小是一個巨大的挑戰(zhàn) (適合在娃娃身 4 上 )，我們 制定了兩種方案 。 圖 3 娃娃作為 器人的尺寸參考 圖 4 橡膠圓盤來固定椎體A 首先設(shè)計 保持控制機器人簡單，我們 制定 三 個 自由度解耦的脊梁。 兩自由度用來脊柱彎曲由前至后、由左至右 ，（ 見圖 11） 三自由度的軀 干， 以脊柱 為 輔，推動肩上橫向輪換 。 解決方法是用 循環(huán) 第三 個 自由度 ， 這點是 要 為 前 兩 個 自由度找到一個可行的辦法 。一直在探索不同類型的項目使用的傳輸 方法所用的 不同的解決 方案。 1）電纜系統(tǒng)：首先設(shè)計一個由脊椎椎體隔著的剛性聚合物的環(huán)形物。 環(huán)形物介紹了腰椎和有限的空間之間的橫向位移 (見圖 4)。脊椎固定一個又一個彈簧來穿越的環(huán)形物。模型的最高允許椎體間在彎曲 30度之間。有一部份單位和腰椎之間環(huán)形物在其余位置 (直立式更穩(wěn)定 )。每個鉆洞端的椎體交叉形成適應(yīng)各種所需的電子線路。 我們遇到的第一個問題是，設(shè)計長度改變脊椎彎曲時 ， 電纜兩側(cè)由同一長度不會改變。 第二個問題是，如果我們只在電纜上固定椎體 ， 脊椎椎體分別 通過 每一個彎道，從第一個 到 另一 個。 因此 ， 運動就不可能順利的得到 分布式的 脊椎。 2） 萬向聯(lián) 軸器： 為解決上述 第一個 問題 ，由大象的軀干得到的靈感， 我們 用接近電纜處作用在十字聯(lián)軸器上的每個 壓縮彈簧 來 取代 與 萬向聯(lián) 軸器相連接的 高分 （見圖 5）， 萬向聯(lián) 軸器 解決 了兩個相對的聯(lián)軸器之間不同位置的問題 。 不過 ，當萬向聯(lián)軸器與上面的十字聯(lián)軸器相連接時， 這個 給我們留下了一個控制的問題。 這里 ， 問題 是一個 聯(lián) 軸器 不 跟著另一個 聯(lián) 軸器轉(zhuǎn)動 。 5 3） 螺 栓 代替 聯(lián)軸器：為了緊扣前面提出的 解決問題的 方案， 在第三 步 設(shè)計 中，萬向聯(lián)軸器用螺栓代替（ 見圖 6）。 在每個 步驟中， 我們現(xiàn)在找到 了用 四個 螺栓來 代替 萬向聯(lián)軸器。按照 不同的 步驟，螺栓 有不同的連接方法 。 這就在兩個相關(guān)的 腰椎 之間 造成 了位置的 差異 。不同的 螺 栓與萬向聯(lián)軸器相連。運用 這個 系統(tǒng)各個腰椎之間的位置差異便可以控制。 為了實現(xiàn)腰椎所要實現(xiàn)的彎曲，這個系統(tǒng)仍有 缺點 。在最后 一層 上螺栓的定位將變得非常大 ， 因此 ， 最后 的模型要比原來預(yù)計的要大。 4） 液壓系統(tǒng) ： 在聯(lián)軸器和 螺 栓能傳遞 動 力以后， 我們 必須來 探索液壓解決方案 。 第一種 設(shè)計 （如 圖 7）， 用球軸承 把每個腰椎和下個腰椎連接起來 。 如此，每個腰椎包含交叉的連接，連接兩個腰椎，每個連接枝通過一個被扭轉(zhuǎn)的管。在兩個連接管之間鉆個孔讓液體流動。 我們專 門設(shè)計了 液壓泵 ， 液壓泵在脊椎的底部 。由 兩個馬達傳送運動 和 一套兩個平行 無止境 內(nèi)活塞 來牽引 螺 栓 管 來 減速 (見圖 8)。 這 創(chuàng)作 使用一雙類似注射器 來 牽引泵里泵外的 系 統(tǒng) （ 見圖 9） 。 圖 9 液壓驅(qū)動的脊梁 的 工作原理 圖 8 牽引系統(tǒng)B 三自由度脊髓 模型 目前 模型的 脊柱高約 200毫米直徑為 90其重量約為 1千克， 并 在脊椎 80支持 2千克重物（ 見圖 12） 。液壓泵 定 位于 其底板上，因此不承受載荷。整個腰椎通過球軸承，由 4個脊椎相連接組成。每層上安裝 4個聯(lián)軸器和 4個彈簧，正如（圖10中 顯示的?；钊吐?lián)軸器由聚合物組成，在實驗室中被制作成型。因此4個聯(lián)軸器的每個自由度上有 2個活塞，用純橄欖油來傳遞動力。每個聯(lián)軸器內(nèi)部橄欖 6 油通過腰椎的槽從一個活塞傳到另一個活塞（參見第 13圖）。在腰椎的 2個脊椎之間用一根橡皮管子來傳遞運動方向。四根靈活的管子為活塞的 4個聯(lián)軸器帶來油液。當移動一自由度時，活塞將給脊椎的彎曲提供必要的動力而其他的伸展將對脊椎不起作用。橡皮管子把油從一個活塞帶到另一個活塞，這不需要我們用活塞來帶動，因此，活塞工作僅僅處于壓縮狀態(tài)（見圖 12）。 由于作用于在底板上和作用在上面 部分的扭矩不同，脊椎彎曲時活塞的直徑比較低層次的活塞直徑大，直徑是分別是： 252196 在每層上附加的彈簧將會增加支撐力，這將使主軸在上面物體的作用下即不能彎曲又不能旋轉(zhuǎn)。同樣減少每層上的活塞，底層彈簧將更加有力以至于能夠補償在彎曲過程中高低層之間的扭矩差異。彈簧的系數(shù)從低到高分為： 為了控制脊椎彎曲，我們放置 2 個傾斜的軸在上面的脊椎和在作為底板的一個脊椎的中間。脊椎的絕對傾斜角位置與測量值不同，這些都被放 置在底板中的兩臺發(fā)動機來控制。因此我們在底板中有一個封閉的回路控制。 第三個自由度是旋轉(zhuǎn)肩，這自由度在最后的脊椎上被執(zhí)行。因為我們沒有任何旋轉(zhuǎn)路線，旋轉(zhuǎn)角度不能用一個電位計來測量。我們在這里使用發(fā)動機的增量編譯器來控制兩個開關(guān)，在放置最后發(fā)動機過程，以探測開始和結(jié)尾的旋轉(zhuǎn)。 在每個發(fā)動機被放的位置，速度和扭轉(zhuǎn)力中允許 一模塊易達到使用一輛 樣，穿過機器人的運轉(zhuǎn)電纜的數(shù)量是有限的。 7 圖 10 身軀的 尺寸 圖 11 最彎曲的脊椎骨 4 樣機試驗 我們首先測試泵的防水，泵系統(tǒng)完全沒有油損失而工作，由于方法的新穎，雙圓環(huán)的活塞防止所有可能的損失。 這些測試被用手來控制泵的兩臺發(fā)動機來完成的斷續(xù)器。 為了測試彎曲脊椎，我們首先建造第一個標準： 帶有四個活塞的一根脊椎。 因為我們沒有一些裝載的脊椎，這些測試顯示一種缺乏防水的活塞，這在第一種版本中僅僅一有雙圓環(huán)。問題實際是，如果有一些損失，泵在系統(tǒng)中不能再注射油，而壓力不能保證。為了防止這個問題，活塞已被修改有兩圓環(huán)（看見圖 13）。 最后，全部的脊椎已 被建造參見圖 15。 這測試已揭示兩個問題，首先，用管子把油從一個活塞被用于來傳送到另一個活塞，而不允許油的粘性有足夠的壓力。 商業(yè)的橄欖油的真正的粘性是很難預(yù)先估計。第二，每一個雙圓環(huán)有不同的摩擦因素。這些不同（見 是應(yīng)該是可以忽略的。遺憾地是與第一個問題結(jié)合起來，這將導(dǎo)致兩個最后的活塞（見圖 15 ）有一個阻礙。當前，為了保證防水，我們再設(shè)計 8 圖 12 力矩在系統(tǒng)中的作用 圖 7 用萬向壓縮彈簧連接兩椎體保證 其穩(wěn)定 圖 14 牽引系統(tǒng)的 模型 圖 13 油從一個活塞通過另一個活塞圖 15 目前 9 5 討論及結(jié)論 本文 介紹了有關(guān) 器人 的 脊柱 通用模型 ， 設(shè)計所需要 器人 的動機 是 一個 具有人類特征 機器人 。 目前 市場 上迷你 仿 人形機器人沒有脊髓 ， 他們只有一個或兩個自由度擺在 其 腰部 。 我們 設(shè)計出了簡潔的模型，它與 人類一樣 。它的 脊髓控制簡單 ， 而且 這個 模 型在許多方面 易于進行 改進 。 比如 ， 我們 所 選擇 的大多數(shù)構(gòu)造模型的 聚合物 都可以來 降低成本 。 眾所周知 ，這一技術(shù) 的缺陷在這項工程上 已 暴露 。 今后 ， 我們 可能要 建立金屬活塞以確保更精確的 直徑尺寸 ， 因此為了更好地控制活塞 處的 摩擦 力 和壓力 。 金屬活塞將提供更大的阻力 ， 這將允許 活塞 有一個 比較 薄 的活塞壁和比較細的活塞軸。