類人形機(jī)器人腿的構(gòu)造與設(shè)計(jì)：腿的自由度提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性

因?yàn)橥仁綑C(jī)器人的發(fā)明是受到生物學(xué)上的啟發(fā)，所以檢驗(yàn)一下生物學(xué)上成功的 有腿系統(tǒng)是有益的。許多不同的腿的構(gòu)造已經(jīng)在各種各樣的生物體中成功地存在 (圖2.6)。大型動(dòng)物，如哺乳動(dòng)物和爬行動(dòng)物有4條腿，而昆蟲有6條腿或更多。某 些哺乳動(dòng)物，僅靠2條腿行走的能力已經(jīng)很出色。尤其是人類，平衡能力已經(jīng)進(jìn)展到 甚至可用單腿進(jìn)行跳躍的水平①。這種異常的機(jī)動(dòng)性是以很高代價(jià)得來(lái)的：為保持平 衡而使用更復(fù)雜的主動(dòng)控制 。

相反，3條腿的動(dòng)物假定它能保證其重心處在地面接觸的三腳區(qū)內(nèi)，它就能夠展 示靜止、穩(wěn)定的姿態(tài)。如3條腿的凳子所展現(xiàn)那樣，靜止穩(wěn)定性意味著不需要運(yùn)動(dòng)而 保持平衡。在沒有傾覆力時(shí)，稍微偏離穩(wěn)定(比如輕輕推凳子)會(huì)被動(dòng)地予以校正而 趨向穩(wěn)定的姿態(tài)。 但是為了行走，機(jī)器人需要能夠抬腿。為了能達(dá)到靜態(tài)行走，機(jī)器人至少要有4 條腿，一次移動(dòng)一個(gè)。而對(duì)于6條腿的情況，就有可能設(shè)計(jì)出一種步態(tài)，按此，腿的靜 態(tài)穩(wěn)定三腳區(qū)總是與地面接觸(圖2.9)。

昆蟲和蜘蛛一出生立即能行走。對(duì)它們來(lái)說(shuō)，行走時(shí)的平衡問題比較簡(jiǎn)單。哺 乳動(dòng)物有4條腿，能夠靜態(tài)行走，然而由于重心高，會(huì)比爬行動(dòng)物行走穩(wěn)定性要差。 例如，幼鹿在它們能行走之前要花幾分鐘來(lái)嘗試站走來(lái)，然后又要花好幾分鐘學(xué)習(xí)行 走而不摔倒。人類有兩條腿，由于他們腳大，也可以靜態(tài)地穩(wěn)定站立。幼兒需要幾個(gè) 月才能站立和行走，甚至需要更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)跳躍、跑步和單腿站立。

在各單腿的復(fù)雜性中，也存在種類繁多的潛力。再者，生物世界提供了豐富的處 于兩個(gè)極端的例子。例如，毛蟲利用液壓，通過構(gòu)建體腔和增加壓力使各腿伸展，而 且通過釋放液壓使各腿縱向地回收，然后刺激單個(gè)可拉伸的肌肉，牽引腿靠向身體。 各條腿只有1個(gè)自由度，它沿著腿縱向地定方向。前向運(yùn)動(dòng)依賴于體內(nèi)的液壓，它能 伸張兩腿間的距離。所以，毛蟲的腿在機(jī)械上來(lái)看很簡(jiǎn)單，即利用Z少數(shù)目的外表肌 肉，完成了復(fù)雜的整體運(yùn)動(dòng)。

在另一極端，連同腳趾的深層刺激，人腿有7個(gè)以上的主自由度，15個(gè)以上的肌 肉群，激勵(lì)8個(gè)復(fù)雜的關(guān)節(jié)。

在腿式移動(dòng)機(jī)器人情況下，通常要求至少2個(gè)自由度，通過提起腿和將腿擺動(dòng)向 前，使腿向前運(yùn)動(dòng)。更普通的是對(duì)更復(fù)雜的移動(dòng)，如圖2.6所示，附加了第3個(gè)自由 度。在創(chuàng)造兩足行走機(jī)器人中，Z新產(chǎn)品已在踝關(guān)節(jié)處增加了第4個(gè)自由度。通過 刺激腳底板的姿態(tài)，足踝能使機(jī)器人移動(dòng)地面接觸的合成力向量。

總之，增加機(jī)器人腿的自由度提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性，既擴(kuò)大了機(jī)器人能行走的 地形范圍，又增強(qiáng)了機(jī)器人以各種步態(tài)行走的能力。當(dāng)然，附加關(guān)節(jié)和激勵(lì)器的主要缺點(diǎn)是帶來(lái)動(dòng)力、控制和質(zhì)量方面的問題。附加的激勵(lì)器需要能量和控制，它們也把 質(zhì)量加到腿上，從而進(jìn)一步增加了對(duì)現(xiàn)有激勵(lì)器的功率和負(fù)載的要求。

對(duì)于多腿移動(dòng)機(jī)器人，存在運(yùn)動(dòng)時(shí)腿的協(xié)調(diào)或步態(tài)控制問題�？赡艿牟綉B(tài)數(shù)目 依賴于腿的數(shù)目[52]。對(duì)單條腿而言，步態(tài)是抬起與放下事件的序列。對(duì)一個(gè)有 k 條 腿的移動(dòng)機(jī)器人，步行機(jī)器可能事件的總數(shù)N 為

N=(2k-1)! (2.1)

對(duì)于2條腿的步行器，k=2 腿，可能事件的總數(shù)N 為

N=(2k—1)!=3!=3·2·1=6 (2.2)

6個(gè)不同事件序列如下(它們也可以被組合成更為復(fù)雜的序列):

1.2腿下—右下/左上—2腿下；

2.2腿下—右腿上/左腿下—2腿下；

3.2腿下—2腿上—2腿下；

4. 右腿下/左腿上 — 右腿上/左腿下一右腿下/左腿上；

5. 右腿下/左腿上 — 2腿上 — 右腿下/左腿上；

6. 右腿上/左腿下 — 2腿上一右腿上/左腿下。