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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(píng)語： 簽名： 年 月 日 1 仿生物脊柱的人形機(jī)器人 設(shè)計(jì) 洛倫佐 , 佛羅里特 , 安德里亞 譚艷 譯 摘要 ： 本文描述了有 3 個(gè)自由度的娃娃形的 器人。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)人行機(jī)器人必須有人的外部特征和人機(jī)性能，其目的是為了提高人機(jī)的互動(dòng) 。 設(shè)計(jì)一個(gè)仿人脊髓的機(jī)器人要滿足脊椎設(shè)計(jì)要符合能提供仿人形機(jī)器人能順利像人一樣前進(jìn)，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(dú)癥孩子興趣上有所相同。因此，表達(dá)人類的特征，機(jī)器人的身體特性和機(jī)器人的行為特征，在 們?cè)谶@里 (參見圖 1 )描述，將找到有關(guān)人類機(jī)器人作用在各種各樣的工作中的一項(xiàng)應(yīng)用，在我們的實(shí)驗(yàn)室里實(shí)施，參見 [5][6]。 在 [8]中，我 們提出一種機(jī)器人模型，其手臂有 7個(gè)自由度，為了拓寬視野眼睛有 3個(gè)自由度。在本文中我們介紹了有關(guān)節(jié)脊椎的機(jī)器人的近來發(fā)展情況，使其賦有與人類相似的運(yùn)動(dòng)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)各階中都做了相關(guān)的報(bào)告，花費(fèi)了很多時(shí)間來設(shè)計(jì)解決方案。雖然在理論上可行，但在實(shí)踐中出現(xiàn)一些不符合實(shí)際的情況。盡管這比較罕見，我們相信文獻(xiàn)只趨向于對(duì)加工的最終模型進(jìn)行發(fā)表。在某些情況下，不能實(shí)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(jì)中被證明是錯(cuò)誤的情況下。 2 產(chǎn)品 現(xiàn)狀 從越來越多的機(jī)器人研究來 設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人 。 但是 ， 這些作品絕大多數(shù)遵循一個(gè)相對(duì) 標(biāo)準(zhǔn) 的驅(qū)動(dòng)方式 來 設(shè)計(jì)機(jī)器人的軀體 。 這樣的例子包括 :本田機(jī)器人]， 索尼的 10]等。 所有這些 ，一般 有兩個(gè)自由度 。 而 仿 人機(jī)器人 有3 個(gè)自由度。 但更多數(shù)的解決辦法遵循了仿生設(shè)計(jì) 。 比如 ， 5]、[16]機(jī)器人， 是 在東京大學(xué)開發(fā) 的，它們提供兩個(gè)脊椎關(guān)節(jié)，模仿人體脊柱。 人脊椎 有重疊的 24個(gè)腰椎。 每個(gè)椎骨之間是一種減振器，不斷 與 骨頭相碰 ， 每個(gè)椎骨由其 持有的韌帶群 。 脊柱關(guān)節(jié)也稱為節(jié)點(diǎn) ， 椎關(guān)節(jié)連結(jié)在一起，使他們 之間有 靈活性。 2 平均運(yùn)動(dòng)范圍有正負(fù) 30度的屈伸，正負(fù) 40度收展和 30度的旋轉(zhuǎn) 。圖 1 前機(jī)樣 圖 2 老師在演示有彎曲軀干的仿人機(jī)器人 10個(gè)節(jié)點(diǎn) 3自由度關(guān)節(jié)組成， 大體 模仿人體的脊椎椎體 。 40個(gè)驅(qū)動(dòng)器 用來驅(qū)動(dòng)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(gè)側(cè)面，這種平衡點(diǎn)就在于垂直直線位置 。 8 個(gè)電纜與驅(qū)動(dòng)器之間有筋鎖骨和骨盆將整個(gè)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(jì) ， 合小型機(jī)器人并不需要太多的驅(qū)動(dòng) 和身體的 。 這里也存在其他機(jī)器人，這些機(jī)器人不具有人的特點(diǎn) ， 例如克萊姆森大學(xué) [17]的各種 各樣象蛇一樣的 機(jī)器人的軀干 (例如 [18]， [19])， 這些 提供有趣的解決辦法?？巳R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(dòng) 連在一起。 這些磁盤驅(qū)動(dòng)用電纜來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主干。 在 兩盤 之間，當(dāng)軀干在一個(gè)筆直的位置中時(shí) 共有 4個(gè)彈簧 創(chuàng)造一個(gè)平衡點(diǎn) 。像蛇一樣的機(jī)器人在上面用氣動(dòng)的泵驅(qū)使。 機(jī)器人 [18]的 圓 盤驅(qū)動(dòng)每個(gè)之間 由 三個(gè)氣動(dòng)組成。 [19]， 通過各支柱控制其不同的部分。 兩個(gè)部分之間，有一個(gè)氣 動(dòng) 和 2個(gè) 自由度聯(lián)合。 這些機(jī)器人提供有趣味解決方案， 尤其是在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 。然而，這些機(jī)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(diǎn)的機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì) ， 身體特征相似人類嬰兒。 項(xiàng)目是機(jī)器人研究的一個(gè)潮流，強(qiáng)調(diào)需要一些機(jī)器人承擔(dān)人類的身體特征和容貌 ，以及 其提案提高人體運(yùn)動(dòng)學(xué)功能增強(qiáng)了人機(jī)間的互動(dòng) 。 例如 : [20]， [21]， [22]， [23]。 如 上面所說 使用 3]有 多項(xiàng)限制，其設(shè)計(jì)包括其規(guī)模小，重量輕， 其特點(diǎn)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(jì) 例 :7個(gè) 自由度手臂、 3個(gè) 自由度的眼睛和 3個(gè) 頸部自 由度 [8]， [24]。設(shè)計(jì)脊椎骨 有 下列 條件 被限制 : 1) 脊椎必須足以支持負(fù)重達(dá)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(dòng)最多三個(gè)馬達(dá)，廉價(jià)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(gè) 方向角度 正負(fù) 40度。 盡管 有 幾 種人形 脊椎的機(jī)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(dòng)。 但是還有太多的驅(qū)動(dòng)器 ，它不適合進(jìn)行負(fù)荷為 2千克的機(jī)器人 ，導(dǎo)致 頭部 屈曲的問題 ，所有部件重要支撐負(fù)荷 (四肢關(guān)節(jié)總量比例 ) 仍小是一個(gè)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(jì) 保持控制機(jī)器人簡單，我們 制定 三 個(gè) 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(dòng)肩上橫向輪換 。 解決方法是用 循環(huán) 第三 個(gè) 自由度 ， 這點(diǎn)是 要 為 前 兩 個(gè) 自由度找到一個(gè)可行的辦法 。一直在探索不同類型的項(xiàng)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(jì)一個(gè)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(gè)又一個(gè)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(gè)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(gè)問題是，設(shè)計(jì)長度改變脊椎彎曲時(shí) ， 電纜兩側(cè)由同一長度不會(huì)改變。 第二個(gè)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(gè)彎道，從第一個(gè) 到 另一 個(gè)。 因此 ， 運(yùn)動(dòng)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(gè) 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(gè) 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(gè)相對(duì)的聯(lián)軸器之間不同位置的問題 。 不過 ，當(dāng)萬向聯(lián)軸器與上面的十字聯(lián)軸器相連接時(shí)， 這個(gè) 給我們留下了一個(gè)控制的問題。 這里 ， 問題 是一個(gè) 聯(lián) 軸器 不 跟著另一個(gè) 聯(lián) 軸器轉(zhuǎn)動(dòng) 。 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(jì) 中，萬向聯(lián)軸器用螺栓代替（ 見圖 6）。 在每個(gè) 步驟中， 我們現(xiàn)在找到 了用 四個(gè) 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(gè)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(yùn)用 這個(gè) 系統(tǒng)各個(gè)腰椎之間的位置差異便可以控制。 為了實(shí)現(xiàn)腰椎所要實(shí)現(xiàn)的彎曲，這個(gè)系統(tǒng)仍有 缺點(diǎn) 。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(jì)的要大。 4） 液壓系統(tǒng) ： 在聯(lián)軸器和 螺 栓能傳遞 動(dòng) 力以后， 我們 必須來 探索液壓解決方案 。 第一種 設(shè)計(jì) （如 圖 7）， 用球軸承 把每個(gè)腰椎和下個(gè)腰椎連接起來 。 如此，每個(gè)腰椎包含交叉的連接，連接兩個(gè)腰椎，每個(gè)連接枝通過一個(gè)被扭轉(zhuǎn)的管。在兩個(gè)連接管之間鉆個(gè)孔讓液體流動(dòng)。 我們專 門設(shè)計(jì)了 液壓泵 ， 液壓泵在脊椎的底部 。由 兩個(gè)馬達(dá)傳送運(yùn)動(dòng) 和 一套兩個(gè)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(dòng)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(gè)腰椎通過球軸承，由 4個(gè)脊椎相連接組成。每層上安裝 4個(gè)聯(lián)軸器和 4個(gè)彈簧，正如（圖10中 顯示的。活塞和聯(lián)軸器由聚合物組成，在實(shí)驗(yàn)室中被制作成型。因此4個(gè)聯(lián)軸器的每個(gè)自由度上有 2個(gè)活塞，用純橄欖油來傳遞動(dòng)力。每個(gè)聯(lián)軸器內(nèi)部橄欖 6 油通過腰椎的槽從一個(gè)活塞傳到另一個(gè)活塞（參見第 13圖）。在腰椎的 2個(gè)脊椎之間用一根橡皮管子來傳遞運(yùn)動(dòng)方向。四根靈活的管子為活塞的 4個(gè)聯(lián)軸器帶來油液。當(dāng)移動(dòng)一自由度時(shí)，活塞將給脊椎的彎曲提供必要的動(dòng)力而其他的伸展將對(duì)脊椎不起作用。橡皮管子把油從一個(gè)活塞帶到另一個(gè)活塞，這不需要我們用活塞來帶動(dòng)，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(shí)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(huì)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(bǔ)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(gè)傾斜的軸在上面的脊椎和在作為底板的一個(gè)脊椎的中間。脊椎的絕對(duì)傾斜角位置與測(cè)量值不同，這些都被放 置在底板中的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)來控制。因此我們?cè)诘装逯杏幸粋€(gè)封閉的回路控制。 第三個(gè)自由度是旋轉(zhuǎn)肩，這自由度在最后的脊椎上被執(zhí)行。因?yàn)槲覀儧]有任何旋轉(zhuǎn)路線，旋轉(zhuǎn)角度不能用一個(gè)電位計(jì)來測(cè)量。我們?cè)谶@里使用發(fā)動(dòng)機(jī)的增量編譯器來控制兩個(gè)開關(guān)，在放置最后發(fā)動(dòng)機(jī)過程，以探測(cè)開始和結(jié)尾的旋轉(zhuǎn)。 在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)被放的位置，速度和扭轉(zhuǎn)力中允許 一模塊易達(dá)到使用一輛 樣，穿過機(jī)器人的運(yùn)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(jī)試驗(yàn) 我們首先測(cè)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(cè)試被用手來控制泵的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)來完成的斷續(xù)器。 為了測(cè)試彎曲脊椎，我們首先建造第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)： 帶有四個(gè)活塞的一根脊椎。 因?yàn)槲覀儧]有一些裝載的脊椎，這些測(cè)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(shí)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(gè)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(cè)試已揭示兩個(gè)問題，首先，用管子把油從一個(gè)活塞被用于來傳送到另一個(gè)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(jì)。第二，每一個(gè)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(gè)問題結(jié)合起來，這將導(dǎo)致兩個(gè)最后的活塞（見圖 15 ）有一個(gè)阻礙。當(dāng)前，為了保證防水，我們?cè)僭O(shè)計(jì) 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(gè)活塞通過另一個(gè)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(jì)所需要 器人 的動(dòng)機(jī) 是 一個(gè) 具有人類特征 機(jī)器人 。 目前 市場 上迷你 仿 人形機(jī)器人沒有脊髓 ， 他們只有一個(gè)或兩個(gè)自由度擺在 其 腰部 。 我們 設(shè)計(jì)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(gè) 模 型在許多方面 易于進(jìn)行 改進(jìn) 。 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(xiàng)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(gè) 比較 薄 的活塞壁和比較細(xì)的活塞軸。