四足仿生机器人详解.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 Boston Dynamics 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、Little Dog,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。Boston Dynamics 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Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park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Simon Rutishauser, 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。,Pace gait（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。,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. Anthony Lewisyan和Matthew R. 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角接触球轴承及轴承套环 7、内轴套 8、小锥齿轮 9、齿轮端盖 10、关节轴端盖 11、关节轴 12、关节盖 13、大锥齿轮 14、关节输出连接件 15、关节轴角接触球轴承 16、关节轴固定片 17、轴承端盖 18、轴承端盖 19、谐波减速器输出轴 20、谐波减速器输出过渡盘 21盘式谐波减速器组件 22电机轴套,谢谢！,