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擬人步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案
雙足步行機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)是研究機(jī)器人的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到機(jī)器人后續(xù)的研究工作。以雙足類(lèi)人結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，各研究結(jié)構(gòu)研制的雙足機(jī)器人在自由度，驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)器人是對(duì)人類(lèi)自身的模仿，但是人類(lèi)總共有上肢52對(duì)，下肢62對(duì)，背部112對(duì)，胸部52對(duì)，腰部8對(duì)，頸部16對(duì)，頭部25對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來(lái)看，要控制具有400個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)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(duì)類(lèi)人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)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(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，骸部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個(gè)自由度(骸關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)3個(gè))。但是，無(wú)論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個(gè)自由度(踝關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè))，如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-m、國(guó)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(gè)自由度的機(jī)器人的機(jī)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(jì)原則，在過(guò)去的四十年中，為了不同的研究目標(biāo)，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器人，按照行走過(guò)程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機(jī)器人一般分為三類(lèi):
(1) 靜態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)步行機(jī)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(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走；
(2) 動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來(lái)保證它的ZMP點(diǎn)(Zero Momeni Censer)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走；
(3) 全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，這類(lèi)步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，甚至沒(méi)有踝關(guān)節(jié)所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個(gè)點(diǎn)，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類(lèi)機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走[8， 9]。
自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個(gè)自由度，如圖2.1所示。這類(lèi)機(jī)器人沒(méi)有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類(lèi)機(jī)器人理論上只有一個(gè)自由度，實(shí)際上，為了防止擺動(dòng)腿擺動(dòng)時(shí)和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個(gè)平移自由度，這個(gè)機(jī)器人實(shí)際上有3個(gè)自由度。它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是平面的，沒(méi)有側(cè)向運(yùn)動(dòng)，在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)象一個(gè)兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒(méi)有冗余自由度。這類(lèi)兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動(dòng)態(tài)機(jī)器人，在僅受重力作用時(shí)，可以在斜面上行走。
圖1 一個(gè)自由度的兩足步行機(jī)器人
雙足機(jī)器人的自由度配置
我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)雙足步行機(jī)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(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動(dòng)力源采用舵機(jī)直接動(dòng)，這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)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(dòng)源全為電機(jī)，便于集中控制和程序化控制。
圖3 雙足步行機(jī)器人模型
圖3模仿人類(lèi)，肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類(lèi)髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個(gè)正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時(shí)只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮[5， 6]。