機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)？

題目范圍廣，我們從人形/仿人機器人入手，從運動關(guān)節(jié)、施工過程、減速器等方面來看整個機構(gòu)的研究和應(yīng)用。

過去，機器人只是簡單地模擬人或機器的動作?，F(xiàn)在，仿人機器人的運動步態(tài)包括步行、跳躍、踢足球、上下樓梯：

所有這些實現(xiàn)都離不開機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造，即全機構(gòu)。仿人機器人主要由機械、控制和傳感三部分組成，其中機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，機械部分包括兩個子系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。機械部分可分為頭部、胸部、手臂、手、腿和腳。

作為機械部件的關(guān)鍵點之一，整個機構(gòu)類型與關(guān)節(jié)的數(shù)量和布局密切相關(guān)。一般來說，成年人有206塊骨頭和78個大關(guān)節(jié)，而模擬人類關(guān)節(jié)和骨架構(gòu)的模擬機器人通常有15-70個關(guān)節(jié)。

雖然整個機構(gòu)很少被提及，但它對仿人機器人具有重要意義 ▽

慕尼黑工業(yè)大學(xué)LOLA機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。其目的是改變機器人的運動性能。

2. 減輕機器人重量和腿部旋轉(zhuǎn)慣量有助于提高機器人的運動性能：

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

3. 增加腿部彈性機構(gòu)可以減少機器人的行走沖擊和儲能：

Digit同時增加彈性元件，提高機器人的運動能力和安全性。

機器人運動關(guān)節(jié)的特點

Walker它的出現(xiàn)是實現(xiàn)讓機器人進(jìn)入千家萬戶目標(biāo)的堅實一步。作為智能助手TA它可以幫助或取代人類完成簡單重復(fù)的服務(wù)。因此，在設(shè)計機器人關(guān)節(jié)時，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)運動的特點之一是運行速度快，機動性好，腳焦點分散，高速碰撞。如何滿足這種關(guān)節(jié)運動的特點？這需要在關(guān)節(jié)設(shè)計中實現(xiàn)瞬時高功率輸出、高能利用效率和瞬時沖擊。

因此，彈性驅(qū)動器的概念被提出，它的基礎(chǔ)來源于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)換為機器人應(yīng)用驅(qū)動器時，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)動器，可以理解為電機 減速器 編碼器；(b)是傳統(tǒng)的驅(qū)動器 彈性單元，然后連接負(fù)載構(gòu)成SEA串聯(lián)驅(qū)動；(c)彈性單元并聯(lián)于傳統(tǒng)驅(qū)動器之外，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。

整個機構(gòu)類型的施工過程

對于Walker在整個機構(gòu)類型的施工過程中，首先定義每個關(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、減速器、編碼器等。整個驅(qū)動方案完成后，設(shè)計模擬機器人的結(jié)構(gòu)，將機器人的三維模型放入模擬平臺進(jìn)行。經(jīng)過幾輪迭代，得到了優(yōu)化的設(shè)計。

標(biāo)準(zhǔn)化制定減速器

說到減速器，不得不說，由于仿人機器人的運動特點，舵機主要在低速高扭矩場景中工作，高速低扭矩特性的電機不能滿足直接使用的需要，只能通過減速器降低速度，提高扭矩。

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

伺服驅(qū)動類型

看看仿人機器人常用的伺服驅(qū)動器類型比較：

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

Walker大型伺服舵機集成了高密度無框扭矩電機、雙位置編碼器、諧波減速器和高性能處理控制器，硬件設(shè)計采用多重安全監(jiān)控和故障保護(hù)機制，軟件采用增強伺服控制算法，為靈活運動提供了堅實的基礎(chǔ)。

不難想象，仿人機器人的機械結(jié)構(gòu)將在未來得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在整個機構(gòu)類型的未來發(fā)展趨勢中，一是伺服驅(qū)動和整個機構(gòu)類型的集成設(shè)計、機電和運動控制的聯(lián)合模擬，實現(xiàn)機器人的較佳設(shè)計；二是引入彈性元件，為電動驅(qū)動伺服驅(qū)動提供輔助扭矩，緩沖地面沖擊；三是仿生應(yīng)用，我們知道許多仿生機器人設(shè)計是模擬人或動物背后的原理，這些動物和人體骨骼肌肉的研究將助推機器人機械技術(shù)的發(fā)展。

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