1、仿人機器人仿生關節實現技術魏慧 1,帥梅 2基金項目:教育部新教師基金(200800061019作者簡介:魏慧(1986-,女,博士研究生,主要研究方向:仿人機器人技術通信聯系人:帥梅(1967-,女,副教授,主要研究方向:機器人技術 . E-mail: shuaimei(1. 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院,北京 100191; 2. 北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,北京 1001915 摘要 :目前, 仿人機器人大多采用一個自由度由一個驅動電機獨立驅動, 這種關節直驅型機 構在能耗分配上存在的不足, 制約了仿人機器人能耗利用率及機器人關節尺寸。 本文提出了 一種仿人機器人

2、的新型仿生關節機構設計, 采用柔索差動驅動方式, 將多個電機的力矩同時 作用于同一自由度, 依據人類行走能耗分布, 實現驅動力矩的再分配, 從而有效減低各關節 10 所需的峰值力矩及電機尺寸。 本文所采用的柔索差動驅動方式, 相較傳統齒輪設計結構簡單、 摩擦小、無回程誤差,并且能有效縮小機器人關節尺寸。關鍵詞 :機器人;仿生關節;差分驅動關節中圖分類號 :TP 2415Design of Humanoid Robot Bionic JointWEI Hui1, SHUAI Mei2(1. School of Instrumentation Science and Opto-electronic

3、s Engineering, Beihang University, Beijing 100191; 2. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 10019120 Abstract: Tranditional humanoid robot always adopt one actutor for one DOF(degree of freedom, which results in uneven distrubition among robot joints. I

4、n this paper, a novel bionic joint design for humanoid robot is proposed. The transmission of bionic joint is cable and operates in differential mode. The bionic joints are employed to the humanoid robot BHLEG for its torque redistribution. According to the energy distribution, the proposed bionic j

5、oint reduced the peak 25torque and robot size.Key words: robotics; bionic joint ; differential Joint0 引言研制與人類外觀特征類似, 具有高度智能, 能像人一樣靈活動作的仿人機器人一直是人30 類的夢想。自上世紀七十年代人型機器人概念的提出,近四十多年的研究發展,推出了 P3和 ASIMO 1(日本本田,代表了當今仿人機器人技術的最高水平及用于不平地面行走研 究 HRP-22-3, 復雜環境下工作機器人 HRP-3w 4,惟妙惟肖的女性機器人 HRP-4w 5,研究 人員在仿人機器人領域已經取得

6、了令人矚目的成就。而這種以 ASIMO 、 HRP 系列為代表的 關節直驅動式仿人機器人,每個關節均采用一個驅動電機驅動。35 但是,在機器人行走過程中,各關節電機峰值力矩需求不等,髖關節的屈 /伸自由度能 量消耗最大,需要驅動電機的功率 (體積 也非常大,造成機器人整體機構龐大。而髖關節的 旋轉、翻轉及膝關節自由度能耗很小,需要的功率較小的電機即可驅動。因此,若能設計一 種機構, 使幾個功率、 體積適中的電機可以同時作用在同一關節上, 并通過控制這些電機的 相對運動,實現大功率的驅動,將可有效降低單個驅動電機的峰值力矩,以小尺寸的電機,40 獲得較大的驅動力矩,使仿人機器人的機構大幅度精簡。

7、法國 LIRMM 設計的 12個自由度雙足機器人 SHEPPA 6,如圖 1所示,即采用一種新 的驅動機構,將直驅式和并聯傳動相結合,采用兩個平行的電機,錐齒輪傳動方式,實現同 時可以控制正交兩個方向位置。 當電機以相同的方向轉動時, 主轉動方向發生轉動。 以相反 45方向轉動時,副轉動方向發生轉動。 圖 1 SHEPPA差分驅動結構示意圖Fig. 1 Mechanism of SHEPPA joint本文提出柔索差分驅動關節結構, 將兩個電機可以同時作用在同一個方向的運動上, 以 50小尺寸電機,獲得較大的驅動力矩。較以往齒輪設計,結構簡單,摩擦小,無回程誤差,并 且縮小機器人關節尺寸。依據

8、人類能耗分布的角度,實現驅動力矩再分配。1差分驅動機構本文提出的柔索差分驅動機構,主要由柔索輸入輪 A 、柔索輸入輪 B 、輸出輪 C 、輸出 端 D 、柔索 C 、柔索 D 組成,通過柔索 C 、柔索 D 將柔索輸入輪 A 、柔索輸入輪 B 與輸出 55端 C 、輸出端 D 相連;該柔索差分驅動機構將柔索輸入輪 A 、柔索輸入輪 B 兩個平行旋轉 運動轉化為兩個正交運動, 該傳動方式摒棄齒輪傳動摩擦大, 易磨損, 存在回程誤差等特點, 其結構示意圖如圖 2所示。 (a 前視圖60 (b 后視圖圖 2 柔索差分驅動結構示意圖Fig. 2 Mechanism of cable driven jo

9、int柔索輸入輪 A 與柔索輸入輪 B 軸線重合, 輸出輪 C 與輸出端 D 軸線重合并與柔索輸入65 輪 A 軸線正交,通過如圖 1所示的柔索連接后,所設計的柔索差分驅動結構實現以下功能:將柔索輸入輪 A 與柔索輸入輪 B 的兩個平行轉動轉換為正交的 2-DOF 運動,其中,當柔索 輸入輪 A 、柔索輸入輪 B 以相同的方向轉動相同角度時,主轉動方向(柔索輸入輪 A 的軸 線方向發生轉動;當輸入輪柔索輸入輪 A 、柔索輸入輪 B 以相反的方向轉動相同角度時, 副轉動方向(輸出輪 C 軸線方向發生轉動。70 2 仿人機器人 BHLEG 機構實現人體下肢骨由盆帶骨和游離下肢骨組成,以髖、膝、踝三

10、個關節連接,下肢的各種運動 均是盆骨、大腿、小腿、足四個部分相對運動的合成結果。依據上述人體模型特點,本文所 設計的仿人機器人下肢共有 12自由度,如表 1所示,每條腿有 7個自由度,包括 3個髖關 節自由度, 1個膝關節自由度, 2個踝關節自由度。75 表 1 人類、 BHLEG 各關節運動范圍對比Tab. 1 Range of Movement in Humans and BHLEG 2.1 髖關節髖關節在差分驅動機構的基礎上,增加旋轉關節,構成可圍繞三個運動軸作屈 /伸,內 收 /外展和回旋球狀運動。其結構如圖 3所示,通過柔性將柔索輸入輪 E 處柔索輸出輪 F ,80 相連,以實現髖關

11、節旋轉運動。柔索輸入輪 A 、柔索輸入輪 B 軸向方向為髖關節的主運動 軸,可實現髖關節屈 /伸運動,輸出輪 C 軸線方向為髖關節的副運動軸,可實現髖關節內收 /外展運動。 圖 3 所設計髖關節結構示意圖85 Fig. 3 Hip mechanism of proposed humanoid robot2.2膝關節膝關節具有屈/伸自由度, 是人體最復雜的一個關節, 小腿可圍繞膝關節的額狀軸在矢 狀面內作屈 /伸運動,可視為一個鉸關節,本文模仿髕骨結構,在鉸狀膝關節基礎上,增加 限位裝置,防止膝關節的過度拉伸。902.3踝關節人體踝關節只有一個主運動軸,可繞額狀軸作屈足背 /屈跖運動。由于跖骨的

12、髁狀關節 面前寬后窄, 當足屈時, 髁狀關節面較窄的部分未能填滿關節窩, 踝關節可繞矢狀軸作微小 的外翻和內翻運動。本文中踝關節采用柔索差分驅動 2DOF 關節,如圖 4所示,輸入輪 A 、 B 軸向方向為踝關節的主運動軸,可實現屈足背 /屈趾運動;踝關節可繞輸出端 C 軸向作微 95小的外翻和內翻運動。 圖 4仿人機器人踝關節結構示意圖Fig. 4 Ankle mechanism of proposed humanoid robot最終設計的仿人機器人機構如圖 5所示。100踝關節髖關節圖 5 所設計的仿人機器人 BHLEG 結構示意圖Fig. 5 Ankle mechanism of pr

13、oposed humanoid robot3 仿人機器人 BHLEG 控制體系 為實現仿人機器人 BHLEG 低功耗行走控制, 設計如圖 6所示的控制體系, 主要由主控105 PC104,電機驅動電路,位置、力及姿態傳感器等組成,其控制核心是主控 PC104,負責機 器人運動控制算法的執行, 控制指令的發送和傳感信息的接收與處理; 電機驅動電路采用本 課題組研制的電機驅動板實現; FSR 測量足底壓力信息; 編碼器測量關節轉角信息; 應變儀 用來測量關節輸出力; 慣性測量單元用來測量機器人實時姿態信息。 上述各模塊通過接口卡, 與 PC104系統板通信。 110圖 6 BHLEG控制體系框圖F

14、ig. 6 Control frame of BHLEG4 結論本文在分析仿人機器人最新發展的基礎上, 針對現有仿人機器人關節直驅型機構在能耗115 分配上存在的不足制約仿人機器人尺寸及能耗利用率, 提出仿人機器人新型仿生關節機構設 計。 所設計的仿生關節機構, 采用柔索差動驅動方式, 較以往齒輪設計, 結構簡單, 摩擦小, 無回程誤差,并且縮小機器人關節尺寸。依據人類能耗分布,實現驅動力矩再分配,有效減 低各關節所需的峰值力矩及電機尺寸。參考文獻 (References120 1 CHESTNUTT J, LAU M, CHEUNG G, KUFFNER J, HODGINS J, KANA

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