四足仿生機器人詳解學習教案

1、會計學1四足仿生機器人詳解四足仿生機器人詳解(xin ji)第一頁，共30頁。典型(dinxng)四足步行機器人第2頁/共30頁第二頁，共30頁。1、引言(ynyn) 傳統的步行機器人設計往往是一個很復雜的過程，為了達到設想的運動(yndng)方式，就要進行復雜的結構設計和規(guī)劃工作。而仿生學在機器人領域的應用，使得這一工作得到了簡化。動物的身體結構，運動(yndng)方式，自由度分配和關節(jié)的布置，為步行機器人的設計提供了很好的借鑒。 第3頁/共30頁第三頁，共30頁。 2003 年日本電氣通信大學的 木村浩等研制成功四足移動機器人Tekken，如圖所示。該機器人安裝了陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器

2、。采用基于中樞模式發(fā)生器(CPG)的控制器和反射機制構成控制系統，其中CPG 用于生成機體和四條腿的節(jié)律運動，而反射機制通過傳感器信號(xnho)的反饋，來改變 CPG 的周期和相位輸出，Tekken 能適應中等不規(guī)則地面環(huán)境。1.日本(r bn)Tekken第4頁/共30頁第四頁，共30頁。 Tekkn整個機體的重量是3.1kg，單個腿的重量0.5kg。每條腿有3個主動關和一個被動關節(jié)，分別(fnbi)是一個pitch髖關節(jié)、yaw髖關節(jié)和pitch膝關節(jié)，踝關節(jié)是被動關節(jié)，主要由彈性裝置和自鎖裝置構成。1.日本(r bn)Tekken第5頁/共30頁第五頁，共30頁。 2004 年 Bos

3、ton Dynamics 發(fā)布了四足機器人LittleDog，如圖所示。LittleDog 有四條腿，每條腿有 3 個驅動器，具有很大的工作空間。攜帶的 PC 控制器可以實現感知、電機控制和通信功能。LittleDog 的傳感器可以測量關節(jié)轉角、電機電流、軀體方位和地面(dmin)接觸信息。鏗聚合物電池可以保證 LittleDog 有 30 分鐘的運動，無線通信和數據傳輸支持遙控操作和分析。2、Little Dog第6頁/共30頁第六頁，共30頁。 波士頓動力學工程公司還于 2005 年開發(fā)了形似機械狗的四足機器人，被命名為 BigDog，如圖所示。專門為美國軍隊研究設計，號稱是世界上最先進的

4、四足機器人。Boston Dynamics 公司曾測試過，它能夠在戰(zhàn)場上發(fā)揮重要(zhngyo)作用為士兵運送彈藥、食物和其他物品。3、BigDog第7頁/共30頁第七頁，共30頁。3、BigDog第8頁/共30頁第八頁，共30頁。 2011年，東京大學的保典山田等研制出了一種機器人“PIGORASS”，它能實現(shxin)類似于兔子的運動，能走，能跑并能完成兔子跳的運動。它是通過CPU控制的壓力傳感器和電位器實現(shxin)預期的運動，并且每個肢體都被設計成獨立運作，都通過一個簡單的仿生中樞神經系統來工作。4、PIGORASS第9頁/共30頁第九頁，共30頁。 2010年，韓國漢陽大學的

5、Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park研制成功了一種四足步行機器人“HUNTER”。它的每條腿都有三個主動關節(jié)，兩個帶被動關節(jié)。它的結構參照四足動物狗來進行設計的。被動關節(jié)被設計用來減少腿著地時受地面的影響(yngxing)，通過彈性裝置，能量就可以儲存與再利用。5、HUNTER第10頁/共30頁第十頁，共30頁。 2008年，瑞士洛桑理工大學的Simon Rutishauser, Alexander等研制出一種新型四足步行機器人，“Cheetah”。它是以豹來作為仿生對象的，每條腿有兩個自由度，分別位于髖關節(jié)和膝關節(jié)。膝關節(jié)和髖關節(jié)可以使用近端安裝RC伺服電機進行

6、(jnxng)驅動。圖中可看出，對于膝關節(jié)的驅動力是通過鋼絲裝置來實現的。6、Cheetah第11頁/共30頁第十一頁，共30頁。 該結構中，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候出現腿相碰撞的情況。腿的末端采用受電弓機構的形式（其作用是使腿的最上、最下部分運動一致，同時減少自由度數目，簡化設計）。末端出的彈簧裝置在腿落地(lu d)與離地時分別起到儲能、減小觸地影響，釋放能量的作用。6、Cheetah第12頁/共30頁第十二頁，共30頁。實驗(shyn)行走(xngzu)步態(tài)，姿態(tài)很低為了保持較高的速度與穩(wěn)定性。Pace gait（單側同步步態(tài)），姿態(tài)會發(fā)生偏移，向兩邊(

7、lingbin)擺動。60cm用時0.9s。第13頁/共30頁第十三頁，共30頁。 雖然目前機器人研究已經取得了很大的進步，比如機器人運動過程中實現準確的控制，機器人能適應不同的地面狀況作運動。但是，要實現高速運動仍是步行機器人研究領域中的一個難題，因為要實現這樣的運動，機器人的機械結構、控制方法設計畢然與傳統(chuntng)的機器人不同，并且要考慮多種因素。第14頁/共30頁第十四頁，共30頁。 陸地上，速度最快的動物要屬獵豹了，雖然目前有很多研究(ynji)者對狗與馬的仿生研究(ynji)有了很大的進展，但是有關獵豹的報道并不多。獵豹奔跑速度一般可達30m/s，一秒跨過距離是腿長的50倍

8、，奔跑頻率更是達到了3hz。所以，以獵豹為仿生對象顯得很有意義。第15頁/共30頁第十五頁，共30頁。 獵豹奔跑時，足末端運動軌跡類似一個弧形的旋轉運動。奔跑過程中是前腳先著地，并且(bngqi)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，能量儲存的位置為腿下部位置，像在髖關節(jié)幾乎就沒有能量的存儲。第16頁/共30頁第十六頁，共30頁。7、獵豹機器人 2011年，美國加州HRL實驗室的M. Anthony Lewisyan和Matthew R. Bunting等人提出一種仿獵豹的腿部機構。機構的關鍵是設計的前置能產生身

9、體重量1.5倍的能量，從而達到類似(li s)獵豹的運動狀態(tài)，同時保證運動控制準確性?；旌?hnh)驅動器蛤蠣殼材料(cilio)氣動驅動器電機第17頁/共30頁第十七頁，共30頁。 該裝置通過電動機來調整位置進行控制，從氣體驅動器給機構注入能量來完成(wn chng)奔跑、小跑等步態(tài)。 動物腿部的肌肉連接著兩個關節(jié)，奔跑時，當一個(y )關節(jié)處收縮時，該肌肉可使得另一個(y )關節(jié)伸展，如此便完成了邁步的動作。該結構中也存在這么一種“肌肉”，即氣動驅動裝置，它能使一個(y )關節(jié)收縮時，另一個(y )關節(jié)作好伸展準備。7、獵豹機器人第18頁/共30頁第十八頁，共30頁?；旌?hnh)驅動器第

10、19頁/共30頁第十九頁，共30頁。 若完全仿照動物結構進行設計，會使工作量加大，設計復雜。所以通常腿部結構選擇1-3個關節(jié)(gunji)，每個關節(jié)(gunji)1-3個自由度。 步行機器人關節(jié)(gunji)的布置一般有四類： a、四條腿為肘關節(jié)類型(lixng)布置 b、四條腿為膝關節(jié)型布置c、前兩條腿為膝關節(jié)類型(lixng)，后兩條腿為肘關節(jié)類型(lixng)d、前兩條腿圍肘關節(jié)類型(lixng)，后兩條腿為膝關節(jié)類型(lixng)第20頁/共30頁第二十頁，共30頁。1、小結(xioji) 第一部分介紹了國外近幾年步行機器人研究上的幾個成果。這些研究都是在仿生學的基礎上，通過模擬動物骨

11、骼結構以及動物腿部自由度的布置，設計步行機器人。其中，有不少都值得我們借鑒。比如“HUNTER”，相對于傳統的仿狗機器人，它多了肩關節(jié)這樣的結構。又如最后提到的獵豹機器人，它通過一種氣動(q dn)裝置來模擬獵豹腿部的肌肉，進而可獲得較高的奔跑速度。第21頁/共30頁第二十一頁，共30頁。單自由度旋轉關節(jié)模塊(m kui)第22頁/共30頁第二十二頁，共30頁。1、單自由度旋轉(xunzhun)裝置第23頁/共30頁第二十三頁，共30頁。1、單自由度旋轉(xunzhun)裝置1、編碼器 2、電機 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(z

12、jin) 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 12、第二平鍵 10、第一軸用彈性擋圈 17、第二軸用彈性擋圈 18、斷電制動器 19、驅動控制器 20、端蓋第24頁/共30頁第二十四頁，共30頁。2、一種(y zhn)I型單自由度機器人關節(jié)模塊第25頁/共30頁第二十五頁，共30頁。2、一種I型單自由度機器人關節(jié)(gunji)模塊1、伺服電機及光電編碼器組件2、關節(jié)套筒3、電機軸套4、電機座5、關節(jié)基座(j zu)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、內齒輪11、關節(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第26頁/共30頁第二十六頁，共30頁。3、一種(y zhn)T型單自由度機器人關節(jié)模塊第27頁/共30頁第二十七頁，共30頁。3、一種T型單自由度機器人關節(jié)(gunji)模塊1、伺服電機及光電編碼器組件 2、關節(jié)套筒 3、電機座 4、關節(jié)基座 5、6角接觸球軸承及軸承套環(huán) 7、內軸套 8、小錐齒輪(chln) 9、齒輪(chln)端蓋 10、關節(jié)軸端蓋 11、關節(jié)軸 12