HyQ设计——液压和电驱动四足机器人.docx

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1、外文翻译 题 目 _HyQ设计液压和电驱动 四足机器人 学生姓名 * 专业班级 机设11*班 学 号 54110201011* 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) * 完成时间 2014年3月 22日 HyQ设计液压和电驱动四足机器人摘要:一个新的多功能液压驱动四足机器人(HyQ)已经发展成作为一个平台来研究不仅高度动态的运动,如跑步和跳跃,而且也小心导航非常崎岖的地形。HyQ站高1米,重约90公斤,和功能12 扭矩调节器关节由液压和电动执行机构的结合。液压驱动机器人与更传统的电驱动机器人相比，能执行强大的和动态的动作。介绍了机器人的设计和规范,提出了四足动物的硬件平台上的细节,如机械

2、设计的四个铰接腿和躯干的框架,以及液压系统的配置。从第一个步行实验,结果与试验研究使用之前构建的原型的腿。关键词:四足机器人设计、液压四足动物腿机、液压驱动1、简介移动机器人的发展平台是一个重要和活跃的研究领域。在这个领域,重点是发展轮式或履带式系统非常有效地应对平面和结构良好的固体表面(如。实验室和道路)。近年来,已经有相当多机器人车辆的成功应用,甚至应用于越野条件1。然而,轮式机器人导航在不均匀和崎岖的地形还有很大的局限性和困难。这些限制和腿动物的能力鼓励研究人员过去几十年专注于生物启发的建设有腿的机器。这些机器人有可能超越传统设计的车轮和轨道的灵活性和多功能性。现有的绝大多数腿机器人,现

3、在和今后会继续由降低高传动比的电动马达驱动器驱动,因为他们有在规模、价格、易用性和精度控制上的优点，所以它很受欢迎。然而,电动马达相对于他们的尺寸和重量输出小型扭矩,从而减少高比率基本速度转化为驱动扭矩。不好的是,这种方法会导致系统以减少的速度能力和被动生物性有限,因此不太适合在不可预见的地形差异中进行高度动态的运动和交互。显著的例子这样的腿机器人:机器人合等2的两足动物系列,丰田仿人机器人3,和本田的ASIMO4;四足机器人一系列Hirose等。索尼爱宝56,和小狗7。结合高位置控制和运动规划,这些机器人已经证明了静态和准静态稳定行走步态,另外所有上述两足动物在平地上运行。然而,这些机器人都

4、不能在未知的不规则的地面上运行。这些未被察觉的地面变化禁止一个精确的运动规划,导致每次机器人的脚撞到地面时产生高瞬时扭矩峰值。齿轮容易打破的原因是当降低接头刚度设计开发，超过最大允许扭矩。一个可能的解决方案是使用弹簧结合电动马达,在儿童早期开发的腿8,两足动物火烈鸟9,四足机器人的铁拳10,童子军11,KOLT12。后两个四足机器人能够平地上分别执行边界并且小跑。铁拳机器人成功演示了两步法。除了允许腿系统的开发能够适应地形不规则,合规也可以帮助减少能源消耗,或提高没有获得一个僵硬的结构的机器人性能实现机械功率峰值。然而,引入传输的灵活性也可以通过控制系统构成对跟踪性能的限制因素。这些系统的动力

5、学比一个僵硬的机器人更复杂的。内在合规诱发振荡的振幅和自然频率降低了。为了防止这些振荡的产生,控制系统的带宽与刚性机器人的闭环带宽相比，通常必须大幅降低。这大大限制了机器人的性能,在动态运动中阻碍精确控制。这个平衡必须认真加以解决。一种可能性是根据机器人的质量,运动学和地面属性选择合适的弹簧刚度和阻尼系数。然而这种方法,创建了一个特殊目的机缺乏通用性,因为它和最佳跳跃频率、机器人质量、弹簧刚度密切相关。变刚度装置将是有益的,但目前由于其机械结构复杂,尺寸,重量,以及集成很难适用于多自由度机器人13。因此,一个更有趣的方法是通过扭矩调节器关节积极控制腿刚度。在后一种情况下,只有数量有限的身体被动

6、合规脚下是必要的,主要是为了解决初始影响避免颤振脚14。由于电动马达目前没有高功率重量比,同时也不能为高度动态的机器人够提供所需的速度和力量,通常使用其他驱动的方法。虽然电力驱动的有腿的机器人不常见,气动执行机构有可能解决这些性能需求和影响场景。有两个有趣的和重要的替代电动马达。例如,气动缸开动两足机器人的关节Dexter15和四足机器人短程空中旅行16。这两种机器人都能够执行垂直跳跃，用他们的腿安稳着陆。同时,编织气压肌肉致动器(pMA)驱动的机器人,比如跳两足动物无忌(17)和四足动物索尔福德气动狗18,显示发电潜力和影响这肌肉型气动驱动技术的稳健性。虽然气动肌肉在短时间内能够提供一个爆炸

7、性的力量, 由于其高度非线性输出力收缩关系和大滞后,他们很难控制 19。像生物肌肉,它们是单向表演元素。因此,对抗配置两个肌肉必须开动一个常规的转动关节。另一方面,气动缸更容易控制,但是由于其固有的合规(压缩空气)和低功率重量比,他们遭受低控制带宽 20。因此,这两种类型的气动执行器不太适合肌肉腿机器人。雷伯特等在1980年代和1990年代初开发的几个mono-bi和四足机器人,能够执行高度动态的任务,包括跑步,跳跃,甚至翻筋斗21。大部分的机器人是由液压缸驱动的气动弹簧腿22。Hyon 等在大约15年后, 开发了用铰接的腿,和机械弹簧的一个液压的两条腿跳跃机器人Kenken。另一方面,动物的

8、肌肉骨骼结构结合神经机制控制肌肉能使自身最快速运行。在过去的十年中, 哺乳动物的神经调节机制有相当大的进步在跑步和散步。这方面的知识,如机械性能的腿,腿部运动的运动学,腿部的肌肉的特性,腿部的肌肉之间的神经活动模式,和神经机制控制步进,允许合理现实的施工力学的段腿和肌肉和提供约束控制肌肉活动。许多其他新的执行器已经使用了新的机器人。肌肉的执行机构,特别是人工气动肌肉,已经被越来越多的关注。山田提出了一种四足动物肌肉骨骼机器人使用McKibben-type气动肌肉。 大部分这些腿机器人的例子的成功是由于他们的驱动系统的性能。液压执行机构有广泛的动态范围,更强大的气动执行器,有一个优秀的功率重量比

9、,高带宽,和在一定程度上内在的遵从性 24,能满足所有腿机器人的重要属性。因此,在一些最成功的最近的腿机器人液压驱动已成为占主导地位的驱动技术。例如SarcosInc已经在紧凑的液压执行机构建立了几个液压机器人(25、26),最近的有一个了不起的液压外骨骼。1992年由波士顿动力公司的Raibertin发展的液压四足机器人叫大狗。大狗被设计成一个崎岖的地形机械骡,能携带一个重要负载供应士兵。所有的16个主动关节每腿(4)由液压缸驱动,动力通过一个外部液压动力包或外部测试机载内燃机。大狗已经成功执行不同的运动步态,如行走、小跑、和边界,携带154公斤有效载荷和徒步2.5小时27。不幸的是,关于设

10、计、组件规格,和控制算法的细节公布的很少，通过观察发布在互联网上的视频难以科学、独立验证。然而,这项技术的基本原则似乎能被看到。在这次设计中,作者现在HyQ(液压四足动物)通用性的负载转矩控制91公斤并通过液压和电驱动相结合的关节的机器人,旨在能够在崎岖的地形和执行高度动态导航任务。HyQ将提供一个用来研究有关四足的各个方面的平台,旨在推进先进的腿机器人实现发展有用的全地形机器人帮助人类的目标。作为人类适应机电一体化(火腿)机、HyQ将协助提高技能和整体操作的人机系统。本文的组织结构如下:第二节解释了HyQ机器人平台的目标和规范。第三节介绍了腿设计,原型腿实验的结果,液压流量估计。第四节描述了四足机器人的最终设计和第五节报告了四足机器人的实验结果。最后,部分6和7包含讨论,结论和进一步的工作。本文中使用的符号的列表提供在附录1中。2、HYQ的主要目标和说明2.1 HYQ项目的主要目标HYQ机器人平台发展的主要目标如下：1.一个多功能的机器人平台的创建的目的是能够进行形如跑步和跳跃的动态表演，并且能够在复杂的环境当中进行自主移动，知道哪里不能去。2.仿生运动的研究重点在于动态运行的步态和共同遵守（可调）重要性，能源效率，步态生成，步态转换，机器人的平衡技巧。