四足仿生机器人PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第21页/共30页
单自由度旋转关节模块
第22页/共30页
1、单自由度旋转装置
第23页/共30页
1、单自由度旋转装置
第24页/共30页
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
第11页/共30页
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。
第28页/共30页
谢谢！
第29页/共30页
感谢您的观看！
第30页/共30页
第14页/共30页
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。
第15页/共30页
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。
第7页/共30页
3、BigDog
第8页/共30页
4、PIGORASS
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。
第16页/共30页
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
第26页/共30页
3、一种T型单自由度机器人关节模块
第27页/共30页
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
第9页/共30页
5、HUNTER
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。
第3页/共30页
1.日本Tekken
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。
又如最后单自由度旋转关节模块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输出端连接件过渡齿轮轴过渡齿轮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56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1413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电机轴套关节输出连谢谢
气动驱动器 电机
第17页/共30页
7、猎豹机器人
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。
2、一种I型单自由度机器人关节模块
第25页/共30页
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
第4页/共30页
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。
第5页/共30页
2、Little Dog
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。
第10页/共30页
6、Cheetah
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。
第18页/共30页
混合驱动器
第19页/共30页
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ຫໍສະໝຸດ 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
第12页/共30页
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。
第13页/共30页
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。
第6页/共30页
3、BigDog
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。
• 典型样机（机械机构特点） • 单自由度旋转关节模块
第1页/共30页
典型四足步行机器人
第2页/共30页
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。
第20页/共30页
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
第22页/共30页
1、单自由度旋转装置
第23页/共30页
1、单自由度旋转装置
第24页/共30页
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
第11页/共30页
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。
第28页/共30页
谢谢！
第29页/共30页
感谢您的观看！
第30页/共30页
第14页/共30页
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。
第15页/共30页
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。
第7页/共30页
3、BigDog
第8页/共30页
4、PIGORASS
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。
第16页/共30页
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
第26页/共30页
3、一种T型单自由度机器人关节模块
第27页/共30页
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
第9页/共30页
5、HUNTER
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。
第3页/共30页
1.日本Tekken
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。
又如最后单自由度旋转关节模块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输出端连接件过渡齿轮轴过渡齿轮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56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1413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电机轴套关节输出连谢谢
气动驱动器 电机
第17页/共30页
7、猎豹机器人
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。
2、一种I型单自由度机器人关节模块
第25页/共30页
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
第4页/共30页
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。
第5页/共30页
2、Little Dog
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。
第10页/共30页
6、Cheetah
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。
第18页/共30页
混合驱动器
第19页/共30页
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ຫໍສະໝຸດ 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
第12页/共30页
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。
第13页/共30页
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。
第6页/共30页
3、BigDog
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。
• 典型样机（机械机构特点） • 单自由度旋转关节模块
第1页/共30页
典型四足步行机器人
第2页/共30页
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。
第20页/共30页
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。