外文翻译--仿生物脊柱的人形机器人Robota的设计 中文版

外文资料名称： of a 文资料出处： 0006 附 件： 指导教师评语： 签名： 年 月 日 1 仿生物脊柱的人形机器人 设计 洛伦佐 , 佛罗里特 , 安德里亚 谭艳 译 摘要 ： 本文描述了有 3 个自由度的娃娃形的 器人。这项工作强调人行机器人必须有人的外部特征和人机性能，其目的是为了提高人机的互动 。 设计一个仿人脊髓的机器人要满足脊椎设计要符合能提供仿人形机器人能顺利像人一样前进，侧 身弯曲。 索 引指出 - 仿生 物 脊柱 ， 仿 人形 躯干 1 引言 12。自从 1998以来， 3， 4。这些研究相比人类的特性可能在孤独症孩子兴趣上有所相同。因此，表达人类的特征，机器人的身体特性和机器人的行为特征，在 们在这里 (参见图 1 )描述，将找到有关人类机器人作用在各种各样的工作中的一项应用，在我们的实验室里实施，参见 56。 在 8中，我 们提出一种机器人模型，其手臂有 7个自由度，为了拓宽视野眼睛有 3个自由度。在本文中我们介绍了有关节脊椎的机器人的近来发展情况，使其赋有与人类相似的运动。我们在设计各阶中都做了相关的报告，花费了很多时间来设计解决方案。虽然在理论上可行，但在实践中出现一些不符合实际的情况。尽管这比较罕见，我们相信文献只趋向于对加工的最终模型进行发表。在某些情况下，不能实行的解决方案也是有教育意义的，特别是这些方案在设计中被证明是错误的情况下。 2 产品 现状 从越来越多的机器人研究来 设计仿人机器人 。 但是 ， 这些作品绝大多数遵循一个相对 标准 的驱动方式 来 设计机器人的躯体 。 这样的例子包括 :本田机器人， 索尼的 10等。 所有这些 ，一般 有两个自由度 。 而 仿 人机器人 有3 个自由度。 但更多数的解决办法遵循了仿生设计 。 比如 ， 5、16机器人， 是 在东京大学开发 的，它们提供两个脊椎关节，模仿人体脊柱。 人脊椎 有重叠的 24个腰椎。 每个椎骨之间是一种减振器，不断 与 骨头相碰 ， 每个椎骨由其 持有的韧带群 。 脊柱关节也称为节点 ， 椎关节连结在一起，使他们 之间有 灵活性。 2 平均运动范围有正负 30度的屈伸，正负 40度收展和 30度的旋转 。图 1 前机样 图 2 老师在演示有弯曲躯干的仿人机器人 10个节点 3自由度关节组成， 大体 模仿人体的脊椎椎体 。 40个驱动器 用来驱动控制脊柱 (见 15)。 脊椎关节灵活分为五层， 他们 隔着一层橡胶。 杳与脊柱的天然橡胶的弹性变形约束和预处理一个侧面，这种平衡点就在于垂直直线位置 。 8 个电缆与驱动器之间有筋锁骨和骨盆将整个脊椎连在一起 (见 15)。 而这些在许多方面都是最好的腰杆设计 ， 合小型机器人并不需要太多的驱动 和身体的 。 这里也存在其他机器人，这些机器人不具有人的特点 ， 例如克莱姆森大学 17的各种 各样象蛇一样的 机器人的躯干 (例如 18， 19)， 这些 提供有趣的解决办法。克莱姆森大学的大象的躯干 用 二自由度关节 将 磁盘 驱动 连在一起。 这些磁盘驱动用电缆来驱动系统主干。 在 两盘 之间，当躯干在一个笔直的位置中时 共有 4个弹簧 创造一个平衡点 。像蛇一样的机器人在上面用气动的泵驱使。 机器人 18的 圆 盘驱动每个之间 由 三个气动组成。 19， 通过各支柱控制其不同的部分。 两个部分之间，有一个气 动 和 2个 自由度联合。 这些机器人提供有趣味解决方案， 尤其是在其驱动系统 。然而，这些机器人被用来水平地支持一种低的装载的结构 ，因而 ， 它 们 的脊梁 像 两条腿 一样 站立 ，具有人的特点的机器人，不被用来在高的压缩下面工作。 3 图 5 用万向压缩弹簧连接两椎体保证其稳定 图 6 用万向压缩弹簧连接两椎体保证其 稳定 3 机械设计 ， 身体特征相似人类婴儿。 项目是机器人研究的一个潮流，强调需要一些机器人承担人类的身体特征和容貌 ，以及 其提案提高人体运动学功能增强了人机间的互动 。 例如 : 20， 21， 22， 23。 如 上面所说 使用 3有 多项限制，其设计包括其规模小，重量轻， 其特点是成本低，熟悉和审美。 为了保证 我们采取了参考的平均 尺寸 60公分的 商业 玩具， （ 见图 3） 最大重量 4千克 。 这些限制都被用作设计 例 :7个 自由度手臂、 3个 自由度的眼睛和 3个 颈部自 由度 8， 24。设计脊椎骨 有 下列 条件 被限制 : 1) 脊椎必须足以支持负重达近 2千克 (见图 12)。 2) 脊椎骨必须足以满足小，圆柱体 直径 120毫米、高 210毫米。 3) 重量不得超过 4) 驱动最多三个马达，廉价和易 于 控制的一种控制器 (袖珍型 )。 5) 脊柱弯曲必须能够提供每 个 方向角度 正负 40度。 尽管 有 几 种人形 脊椎的机器人，见 15， 16 并已经介绍，但没有适合上列因素 。 大并有有太多驱动。 但是还有太多的驱动器 ，它不适合进行负荷为 2千克的机器人 ，导致 头部 屈曲的问题 ，所有部件重要支撑负荷 (四肢关节总量比例 ) 仍小是一个巨大的挑战 (适合在娃娃身 4 上 )，我们 制定了两种方案 。 图 3 娃娃作为 器人的尺寸参考 图 4 橡胶圆盘来固定椎体A 首先设计 保持控制机器人简单，我们 制定 三 个 自由度解耦的脊梁。 两自由度用来脊柱弯曲由前至后、由左至右 ，（ 见图 11） 三自由度的躯 干， 以脊柱 为 辅，推动肩上横向轮换 。 解决方法是用 循环 第三 个 自由度 ， 这点是 要 为 前 两 个 自由度找到一个可行的办法 。一直在探索不同类型的项目使用的传输 方法所用的 不同的解决 方案。 1）电缆系统：首先设计一个由脊椎椎体隔着的刚性聚合物的环形物。 环形物介绍了腰椎和有限的空间之间的横向位移 (见图 4)。脊椎固定一个又一个弹簧来穿越的环形物。模型的最高允许椎体间在弯曲 30度之间。有一部份单位和腰椎之间环形物在其余位置 (直立式更稳定 )。每个钻洞端的椎体交叉形成适应各种所需的电子线路。 我们遇到的第一个问题是，设计长度改变脊椎弯曲时 ， 电缆两侧由同一长度不会改变。 第二个问题是，如果我们只在电缆上固定椎体 ， 脊椎椎体分别 通过 每一个弯道，从第一个 到 另一 个。 因此 ， 运动就不可能顺利的得到 分布式的 脊椎。 2） 万向联 轴器： 为解决上述 第一个 问题 ，由大象的躯干得到的灵感， 我们 用接近电缆处作用在十字联轴器上的每个 压缩弹簧 来 取代 与 万向联 轴器相连接的 高分 （见图 5）， 万向联 轴器 解决 了两个相对的联轴器之间不同位置的问题 。 不过 ，当万向联轴器与上面的十字联轴器相连接时， 这个 给我们留下了一个控制的问题。 这里 ， 问题 是一个 联 轴器 不 跟着另一个 联 轴器转动 。 5 3） 螺 栓 代替 联轴器：为了紧扣前面提出的 解决问题的 方案， 在第三 步 设计 中，万向联轴器用螺栓代替（ 见图 6）。 在每个 步骤中， 我们现在找到 了用 四个 螺栓来 代替 万向联轴器。按照 不同的 步骤，螺栓 有不同的连接方法 。 这就在两个相关的 腰椎 之间 造成 了位置的 差异 。不同的 螺 栓与万向联轴器相连。运用 这个 系统各个腰椎之间的位置差异便可以控制。 为了实现腰椎所要实现的弯曲，这个系统仍有 缺点 。在最后 一层 上螺栓的定位将变得非常大 ， 因此 ， 最后 的模型要比原来预计的要大。 4） 液压系统 ： 在联轴器和 螺 栓能传递 动 力以后， 我们 必须来 探索液压解决方案 。 第一种 设计 （如 图 7）， 用球轴承 把每个腰椎和下个腰椎连接起来 。 如此，每个腰椎包含交叉的连接，连接两个腰椎，每个连接枝通过一个被扭转的管。在两个连接管之间钻个孔让液体流动。 我们专 门设计了 液压泵 ， 液压泵在脊椎的底部 。由 两个马达传送运动 和 一套两个平行 无止境 内活塞 来牵引 螺 栓 管 来 减速 (见图 8)。 这 创作 使用一双类似注射器 来 牵引泵里泵外的 系 统 （ 见图 9） 。 图 9 液压驱动的脊梁 的 工作原理 图 8 牵引系统B 三自由度脊髓 模型 目前 模型的 脊柱高约 200毫米直径为 90其重量约为 1千克， 并 在脊椎 80支持 2千克重物（ 见图 12） 。液压泵 定 位于 其底板上，因此不承受载荷。整个腰椎通过球轴承，由 4个脊椎相连接组成。每层上安装 4个联轴器和 4个弹簧，正如（图10中 显示的。活塞和联轴器由聚合物组成，在实验室中被制作成型。因此4个联轴器的每个自由度上有 2个活塞，用纯橄榄油来传递动力。每个联轴器内部橄榄 6 油通过腰椎的槽从一个活塞传到另一个活塞（参见第 13图）。在腰椎的 2个脊椎之间用一根橡皮管子来传递运动方向。四根灵活的管子为活塞的 4个联轴器带来油液。当移动一自由度时，活塞将给脊椎的弯曲提供必要的动力而其他的伸展将对脊椎不起作用。橡皮管子把油从一个活塞带到另一个活塞，这不需要我们用活塞来带动，因此，活塞工作仅仅处于压缩状态（见图 12）。 由于作用于在底板上和作用在上面 部分的扭矩不同，脊椎弯曲时活塞的直径比较低层次的活塞直径大，直径是分别是： 252196 在每层上附加的弹簧将会增加支撑力，这将使主轴在上面物体的作用下即不能弯曲又不能旋转。同样减少每层上的活塞，底层弹簧将更加有力以至于能够补偿在弯曲过程中高低层之间的扭矩差异。弹簧的系数从低到高分为： 为了控制脊椎弯曲，我们放置 2 个倾斜的轴在上面的脊椎和在作为底板的一个脊椎的中间。脊椎的绝对倾斜角位置与测量值不同，这些都被放 置在底板中的两台发动机来控制。因此我们在底板中有一个封闭的回路控制。 第三个自由度是旋转肩，这自由度在最后的脊椎上被执行。因为我们没有任何旋转路线，旋转角度不能用一个电位计来测量。我们在这里使用发动机的增量编译器来控制两个开关，在放置最后发动机过程，以探测开始和结尾的旋转。 在每个发动机被放的位置，速度和扭转力中允许 一模块易达到使用一辆 样，穿过机器人的运转电缆的数量是有限的。 7 图 10 身躯的 尺寸 图 11 最弯曲的脊椎骨 4 样机试验 我们首先测试泵的防水，泵系统完全没有油损失而工作，由于方法的新颖，双圆环的活塞防止所有可能的损失。 这些测试被用手来控制泵的两台发动机来完成的断续器。 为了测试弯曲脊椎，我们首先建造第一个标准： 带有四个活塞的一根脊椎。 因为我们没有一些装载的脊椎，这些测试显示一种缺乏防水的活塞，这在第一种版本中仅仅一有双圆环。问题实际是，如果有一些损失，泵在系统中不能再注射油，而压力不能保证。为了防止这个问题，活塞已被修改有两圆环（看见图 13）。 最后，全部的脊椎已 被建造参见图 15。 这测试已揭示两个问题，首先，用管子把油从一个活塞被用于来传送到另一个活塞，而不允许油的粘性有足够的压力。 商业的橄榄油的真正的粘性是很难预先估计。第二，每一个双圆环有不同的摩擦因素。这些不同（见 是应该是可以忽略的。遗憾地是与第一个问题结合起来，这将导致两个最后的活塞（见图 15 ）有一个阻碍。当前，为了保证防水，我们再设计 8 图 12 力矩在系统中的作用 图 7 用万向压缩弹簧连接两椎体保证 其稳定 图 14 牵引系统的 模型 图 13 油从一个活塞通过另一个活塞图 15 目前 9 5 讨论及结论 本文 介绍了有关 器人 的 脊柱 通用模型 ， 设计所需要 器人 的动机 是 一个 具有人类特征 机器人 。 目前 市场 上迷你 仿 人形机器人没有脊髓 ， 他们只有一个或两个自由度摆在 其 腰部 。 我们 设计出了简洁的模型，它与 人类一样 。它的 脊髓控制简单 ， 而且 这个 模 型在许多方面 易于进行 改进 。 比如 ， 我们 所 选择 的大多数构造模型的 聚合物 都可以来 降低成本 。 众所周知 ，这一技术 的缺陷在这项工程上 已 暴露 。 今后 ， 我们 可能要 建立金属活塞以确保更精确的 直径尺寸 ， 因此为了更好地控制活塞 处的 摩擦 力 和压力 。 金属活塞将提供更大的阻力 ， 这将允许 活塞 有一个 比较 薄 的活塞壁和比较细的活塞轴。