機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)？

題目范圍廣，我們從人形/仿人機(jī)器人入手，從運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、施工過(guò)程、減速器等方面來(lái)看整個(gè)機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用。

過(guò)去，機(jī)器人只是簡(jiǎn)單地模擬人或機(jī)器的動(dòng)作?，F(xiàn)在，仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)包括步行、跳躍、踢足球、上下樓梯：

所有這些實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，即全機(jī)構(gòu)。仿人機(jī)器人主要由機(jī)械、控制和傳感三部分組成，其中機(jī)械部分就像高層建筑的基礎(chǔ)，是其他部分的重要基礎(chǔ)。

根據(jù)系統(tǒng)分類，機(jī)械部分包括兩個(gè)子系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械部分可分為頭部、胸部、手臂、手、腿和腳。

作為機(jī)械部件的關(guān)鍵點(diǎn)之一，整個(gè)機(jī)構(gòu)類型與關(guān)節(jié)的數(shù)量和布局密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，成年人有206塊骨頭和78個(gè)大關(guān)節(jié)，而模擬人類關(guān)節(jié)和骨架構(gòu)的模擬機(jī)器人通常有15-70個(gè)關(guān)節(jié)。

雖然整個(gè)機(jī)構(gòu)很少被提及，但它對(duì)仿人機(jī)器人具有重要意義 ▽

慕尼黑工業(yè)大學(xué)LOLA機(jī)器人比較了大腿和小腿的各種結(jié)構(gòu)，較終從中選擇較好的。其目的是改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。

2. 減輕機(jī)器人重量和腿部旋轉(zhuǎn)慣量有助于提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能：

俄勒岡州立大學(xué)Digit機(jī)器人將膝蓋伺服驅(qū)動(dòng)器向大腿移動(dòng)，踝關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器向小腿移動(dòng)，減少腿部旋轉(zhuǎn)慣性，顯著提高步行速度。

3. 增加腿部彈性機(jī)構(gòu)可以減少機(jī)器人的行走沖擊和儲(chǔ)能：

Digit同時(shí)增加彈性元件，提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和安全性。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的特點(diǎn)

Walker它的出現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人進(jìn)入千家萬(wàn)戶目標(biāo)的堅(jiān)實(shí)一步。作為智能助手TA它可以幫助或取代人類完成簡(jiǎn)單重復(fù)的服務(wù)。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)時(shí)，我們首先要看人類關(guān)節(jié)和肌肉是如何工作的。

人類關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)之一是運(yùn)行速度快，機(jī)動(dòng)性好，腳焦點(diǎn)分散，高速碰撞。如何滿足這種關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)？這需要在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)高功率輸出、高能利用效率和瞬時(shí)沖擊。

因此，彈性驅(qū)動(dòng)器的概念被提出，它的基礎(chǔ)來(lái)源于Hill三元素肌模型主要由三部分組成：CE收縮單元、SE串聯(lián)單元、PE并列單元有兩種組合形式：PS肌肉模型、SP肌肉模型。

當(dāng)兩種模型轉(zhuǎn)換為機(jī)器人應(yīng)用驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可以產(chǎn)生多種形式(如上圖右):

(a)它是一種傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器，可以理解為電機(jī) 減速器 編碼器；(b)是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器 彈性單元，然后連接負(fù)載構(gòu)成SEA串聯(lián)驅(qū)動(dòng)；(c)彈性單元并聯(lián)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器之外，即PEA；(d)在SE在此基礎(chǔ)上增加離合器clutch，可控制彈性單元；(e)(f)是上述三種組合形式之一。

整個(gè)機(jī)構(gòu)類型的施工過(guò)程

對(duì)于Walker在整個(gè)機(jī)構(gòu)類型的施工過(guò)程中，首先定義每個(gè)關(guān)節(jié)的扭矩要求、角度要求、尺寸規(guī)格等，然后根據(jù)需要選擇電機(jī)、減速器、編碼器等。整個(gè)驅(qū)動(dòng)方案完成后，設(shè)計(jì)模擬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，將機(jī)器人的三維模型放入模擬平臺(tái)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)幾輪迭代，得到了優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

標(biāo)準(zhǔn)化制定減速器

說(shuō)到減速器，不得不說(shuō)，由于仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，舵機(jī)主要在低速高扭矩場(chǎng)景中工作，高速低扭矩特性的電機(jī)不能滿足直接使用的需要，只能通過(guò)減速器降低速度，提高扭矩。

仿人機(jī)器人常用的減速器主要有三類。由于機(jī)器人對(duì)控制精度要求高，回差是機(jī)器人精密減速器的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。

伺服驅(qū)動(dòng)類型

看看仿人機(jī)器人常用的伺服驅(qū)動(dòng)器類型比較：

目前，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對(duì)成熟，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域；彈性驅(qū)動(dòng)主要集中在大學(xué)和研究所；本體驅(qū)動(dòng)主要用于四腳機(jī)器人或小型雙腳機(jī)器人。

Walker大型伺服舵機(jī)集成了高密度無(wú)框扭矩電機(jī)、雙位置編碼器、諧波減速器和高性能處理控制器，硬件設(shè)計(jì)采用多重安全監(jiān)控和故障保護(hù)機(jī)制，軟件采用增強(qiáng)伺服控制算法，為靈活運(yùn)動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

不難想象，仿人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)將在未來(lái)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在整個(gè)機(jī)構(gòu)類型的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)中，一是伺服驅(qū)動(dòng)和整個(gè)機(jī)構(gòu)類型的集成設(shè)計(jì)、機(jī)電和運(yùn)動(dòng)控制的聯(lián)合模擬，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的較佳設(shè)計(jì)；二是引入彈性元件，為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)提供輔助扭矩，緩沖地面沖擊；三是仿生應(yīng)用，我們知道許多仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)是模擬人或動(dòng)物背后的原理，這些動(dòng)物和人體骨骼肌肉的研究將助推機(jī)器人機(jī)械技術(shù)的發(fā)展。

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