被动适应式类人机器人行走机理
作者:Inkel   文章来源: www.RoboticFan.com    更新时间:2007年03月12日   打印此文    浏览数:

为了一个新的设计,首先,McGeer(6)采用了简化的步行机器人模型。他针对一个熟悉的、在重力作用下能被动地走下斜面的玩具,制作了一个更精巧的版本。如同所望(因为这个玩具工作很好),他的机器人以稳定的步态走下斜面。对照早期的提供能量的、有复杂控制机构的机器人,这时的机器人平稳行走,没有任何控制系统。McGeer的作品表明比先前已制造的、有能量的机器人更加简单的多,是可能的。然而,作为一种两足步行器的模型,McGeer的模型或许是一个骗子。代替了两足,它有四条腿对称布置,以至它事实上是两维的。Kuo(7)指出,一个相当于三维的两足将会以一种不稳定的方式从一侧向另一侧地摇晃。

McGeer的步行器是由重力势能提供能量的,在它步行时能量会损失得越来越少。因而,运动消耗能量是(损失的热能)/(身体重量×运动距离),在同等的斜度下。通过测量,它证明了在能量方面比常规机器人更经济。不过,由于令人惊奇的微妙原因(6,8),并不是说如上面理论计算的最小值一样就经济。在图中,(B)表示McGeer的机器人当它的脚刚一接触地面时情况。冲击在脚上的作用力减小了身体速度的水平分量,同样消除了垂直分量。更多的动能损失及被取代,而简单理论估计仅垂直分量受到影响。按这样推断,运动的机械消耗是简单理论预计值的4cosα倍。使用同前面一样的速度、腿长和α角度值,得出0.07而不是0.02 。如果(整个的力同时)对身体的冲击保持垂直时,这个增大值能够被避免。有一种可能性是,向上向前推动脚,使它即将被抬起或仅仅在它快落地时(见图C)。另一种情况是力矩作用在腰关节,使得作用在脚上的力垂直(见图D)。

柯林斯等人(1)描述了一种新的机器人,康奈尔两足机器人,已经被设计出来,象图C的机器人一样工作。它有一个不完全的作品,手臂和肩膀联接但没有肘,腿和腰联接,膝部及踝部。在脚踝上的电动机使它推着地面,直到另一个落地之前。这是不同寻常的给人深刻印象,给出的运动机械消耗仅仅是0.055。这种消耗近似与人类相同,远远好于机器人Asimo的估计值机械消耗值1.6,而Asiomr的所有关节是电机化的和可控制的。腰部联接没有电动机,但是被动式连接确保残缺不全的东西平等两腿之间的角度,并保持垂直向上的。另一些被动式联接让一条臂与相反的腿协调地摆动。膝部没有电动机,当脚落地时,销直接维持它们成直线。仅有踝装有电机。这种令人吃惊地简单机器象人一样步行,在能量消耗上明显经济。

由柯林斯和合作者描述的第二个新机器人,代尔夫特两足机器人,并没有专门设计为节能型的,不过,实现的机械损耗仅仅为0.08。它是由气动驱动器给腰部提供能量(见图D)。但它没有另外的臂力,象康奈尔的两足器一样,在膝部有一个约束的销子。基于溜冰板悬浮的、灵活的的脚踝设计,改善了侧面的稳定性。来自MIT小组的第三个新机器人象其它的一样,是基于斜面行走玩具。它仅在脚踝有电动机。它的特点是它能学习控制它的步行。一般,学习能获得大约10分钟或600步的步骤,它能自适应不平坦的地形和不同的地面。

这些新机器人是很重要的三个理由。它们给我们新的观察人类步行的方法。它指出了一种可能途径,为断肢者设计更逼真的人工腿。它们对设计人形机器人产生新的刺激。它们告诉我们两足机器人同原先的作品相比更简单、高效,甚至于能被设计成为自学行走的。

References
1. S. Collins et al., Science307, 1082 (2005).

2. R. Margaria, Biomechanics and Energetics of Muscular Exercise(Clarendon,Oxford, 1976).

3. R.M.Alexander, Animal Mechanics(Blackwell, Oxford, ed. 2, 1983).

4. L. G. C. E. Pugh, J. Physiol.207, 823 (1970).

5. R.M.Alexander, Appl. Mech. Rev.48, 461 (1995).

6. T. McGeer, Int. J. Robotics Res. 9, 62 (April 1990).

7. A. D. Kuo, Int. J. Robotics Res.18, 917 (1999).

8. A. D. Kuo, J. Biomech. Eng. 124, 113 (2002).

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