四足仿生机器人.ppt

四足仿生机器人国外研究现状 典型样机 机械机构特点 单自由度旋转关节模块 典型四足步行机器人 1 引言 传统的步行机器人设计往往是一个很复杂的过程 为了达到设想的运动方式 就要进行复杂的结构设计和规划工作 而仿生学在机器人领域的应用 使得这一工作得到了简化 动物的身体结构 运动方式 自由度分配和关节的布置 为步行机器人的设计提供了很好的借鉴 2003年日本电气通信大学的木村浩等研制成功四足移动机器人Tekken 如图所示 该机器人安装了陀螺仪 倾角计和触觉传感器 采用基于中枢模式发生器 CPG 的控制器和反射机制构成控制系统 其中CPG用于生成机体和四条腿的节律运动 而反射机制通过传感器信号的反馈 来改变CPG的周期和相位输出 Tekken能适应中等不规则地面环境 1 日本Tekken Tekkn整个机体的重量是3 1kg 单个腿的重量0 5kg 每条腿有3个主动关和一个被动关节 分别是一个pitch髋关节 yaw髋关节和pitch膝关节 踝关节是被动关节 主要由弹性装置和自锁装置构成 1 日本Tekken 2004年BostonDynamics发布了四足机器人LittleDog 如图所示 LittleDog有四条腿 每条腿有3个驱动器 具有很大的工作空间 携带的PC控制器可以实现感知 电机控制和通信功能 LittleDog的传感器可以测量关节转角 电机电流 躯体方位和地面接触信息 铿聚合物电池可以保证LittleDog有30分钟的运动 无线通信和数据传输支持遥控操作和分析 2 LittleDog 波士顿动力学工程公司还于2005年开发了形似机械狗的四足机器人 被命名为BigDog 如图所示 专门为美国军队研究设计 号称是世界上最先进的四足机器人 BostonDynamics公司曾测试过 它能够在战场上发挥重要作用为士兵运送弹药 食物和其他物品 3 BigDog 3 BigDog 2011年 东京大学的保典山田等研制出了一种机器人 PIGORASS 它能实现类似于兔子的运动 能走 能跑并能完成兔子跳的运动 它是通过CPU控制的压力传感器和电位器实现预期的运动 并且每个肢体都被设计成独立运作 都通过一个简单的仿生中枢神经系统来工作 4 PIGORASS 2010年 韩国汉阳大学的JangSeobKimandJongHyeonPark研制成功了一种四足步行机器人 HUNTER 它的每条腿都有三个主动关节 两个带被动关节 它的结构参照四足动物狗来进行设计的 被动关节被设计用来减少腿着地时受地面的影响 通过弹性装置 能量就可以储存与再利用 5 HUNTER 2008年 瑞士洛桑理工大学的SimonRutishauser Alexander等研制出一种新型四足步行机器人 Cheetah 它是以豹来作为仿生对象的 每条腿有两个自由度 分别位于髋关节和膝关节 膝关节和髋关节可以使用近端安装RC伺服电机进行驱动 图中可看出 对于膝关节的驱动力是通过钢丝装置来实现的 6 Cheetah 该结构中 前两条腿比后两条腿要短20 目的是避免在迈大步距角的时候出现腿相碰撞的情况 腿的末端采用受电弓机构的形式 其作用是使腿的最上 最下部分运动一致 同时减少自由度数目 简化设计 末端出的弹簧装置在腿落地与离地时分别起到储能 减小触地影响 释放能量的作用 6 Cheetah 实验 行走步态 姿态很低为了保持较高的速度与稳定性 Pacegait 单侧同步步态 姿态会发生偏移 向两边摆动 60cm用时0 9s 虽然目前机器人研究已经取得了很大的进步 比如机器人运动过程中实现准确的控制 机器人能适应不同的地面状况作运动 但是 要实现高速运动仍是步行机器人研究领域中的一个难题 因为要实现这样的运动 机器人的机械结构 控制方法设计毕然与传统的机器人不同 并且要考虑多种因素 陆地上 速度最快的动物要属猎豹了 虽然目前有很多研究者对狗与马的仿生研究有了很大的进展 但是有关猎豹的报道并不多 猎豹奔跑速度一般可达30m s 一秒跨过距离是腿长的50倍 奔跑频率更是达到了3hz 所以 以猎豹为仿生对象显得很有意义 2020 3 15 17 可编辑 猎豹奔跑时 足末端运动轨迹类似一个弧形的旋转运动 奔跑过程中是前脚先着地 并且前肢通常能使出2 5倍体重的力量 后肢能使出1 5倍体重的力量 力量越大 跳出的步幅也就越大 奔跑速度也就变快了 通常 能量储存的位置为腿下部位置 像在髋关节几乎就没有能量的存储 7 猎豹机器人 2011年 美国加州HRL实验室的M AnthonyLewisyan和MatthewR Bunting等人提出一种仿猎豹的腿部机构 机构的关键是设计的前置能产生身体重量1 5倍的能量 从而达到类似猎豹的运动状态 同时保证运动控制准确性 混合驱动器 蛤蛎壳材料 气动驱动器 电机 该装置通过电动机来调整位置进行控制 从气体驱动器给机构注入能量来完成奔跑 小跑等步态 动物腿部的肌肉连接着两个关节 奔跑时 当一个关节处收缩时 该肌肉可使得另一个关节伸展 如此便完成了迈步的动作 该结构中也存在这么一种 肌肉 即气动驱动装置 它能使一个关节收缩时 另一个关节作好伸展准备 7 猎豹机器人 混合驱动器 若完全仿照动物结构进行设计 会使工作量加大 设计复杂 所以通常腿部结构选择1 3个关节 每个关节1 3个自由度 步行机器人关节的布置一般有四类 a 四条腿为肘关节类型布置b 四条腿为膝关节型布置c 前两条腿为膝关节类型 后两条腿为肘关节类型d 前两条腿围肘关节类型 后两条腿为膝关节类型 1 小结 第一部分介绍了国外近几年步行机器人研究上的几个成果 这些研究都是在仿生学的基础上 通过模拟动物骨骼结构以及动物腿部自由度的布置 设计步行机器人 其中 有不少都值得我们借鉴 比如 HUNTER 相对于传统的仿狗机器人 它多了肩关节这样的结构 又如最后提到的猎豹机器人 它通过一种气动装置来模拟猎豹腿部的肌肉 进而可获得较高的奔跑速度 单自由度旋转关节模块 1 单自由度旋转装置 1 单自由度旋转装置 1 编码器2 电机3 壳体4 齿轮箱盖5 第一辅助齿轮15 第二辅助齿轮6 中心齿轮7 谐波减速器组件8 波发生器9 波发生器连接法兰11 中空连接轴16 第一角接触球轴承13 第二角接触球轴承14 第一平键12 第二平键10 第一轴用弹性挡圈17 第二轴用弹性挡圈18 断电制动器19 驱动控制器20 端盖 2 一种I型单自由度机器人关节模块 2 一种I型单自由度机器人关节模块 1 伺服电机及光电编码器组件2 关节套筒3 电机轴套4 电机座5 关节基座6 轴承端盖7 轴承座8 角接触球轴承及外轴套9 轴承端盖10 内齿轮11 关节输出端连接件12 过渡齿轮轴13 过渡齿轮14 谐波减速器输出轴15 中心齿轮16 小轴承端盖17 轴套18 角接触球轴承19 谐波减速器输出过渡盘20 盘式谐波减速器组件 3 一种T型单自由度机器人关节模块 3 一种T型单自由度机器人关节模块 1 伺服电机及光电编码器组件2 关节套筒3 电机座4 关节基座5 6角接触球轴承及