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基于哺乳动物肌肉结构的机器腿
摘要：迄今为止，有腿的机器人采用个人汽车关节的驱动，然而，脊椎动物腿的肌肉结构被纳入伸屈肌结构和跨越两个关节的两关节肌肉，当肌肉放松的时候，屈伸肌结构可以让关节自由摆动，虽然两关节肌肉已经被证明从近端到远端转移力量时起着至关重要的作用，支持高性能运动如跑步和跳跃等，在这篇论文里，我们提出一个基于人体腿的肌肉结构的机器腿，合并伸屈肌结构和两关节肌肉，我们证明这个机器人腿的两关节肌肉能够使用它的肌肉把力量从上肢转移到脚踝,是模仿人类腿的关键对策。
1 介绍
传统机器人的肢体在戏剧性方式上不同于哺乳动物的，虽然大多数机器人采用汽车内旋转关节，但是真正的哺乳动物的四肢基于一个肌肉结构，集成了一个伸屈肌结构，通过从两侧连接旋转头，以及两关节肌肉，它们都跨越多个关节，这些差异使在设计机器人的行走时产生了很多问题，首先，在使用汽车结构做关节的时候需要供电，因为大多数汽车缺乏背向驱动性，这可以防止肢体使用被动动态协助动作，其次，在靠近脚踝的关节需要使用重型汽车关节，采用单一的汽车，来改变肢体动力学，选择这种架构的效果在一些两足动物中能见到，它们都有像重型汽车一样的脚，以及本田的Asimo。
这些机器人通常采用传统的ZMP控制方法，机器人师徒去维持它在剖面内的平衡，然而，真正的哺乳动物不会以这种方式行走，生物系统使用中枢模式发生器来控制步行运动，通过生产循环动力振荡学的肢体，机器人不会保持平衡在脚上，而是从一只脚到另一只脚的动态波动，哺乳动物也采用被动动力学肢体行走，比传统的机器人行走更高效，此外，两关节肌肉用于肢体转移和能量吸收，通过耦合接头，使肌肉大规模集中接近躯干，从而减少肢体的时刻，伸曲肌架构也允许关节被加强了，允许生物控制和规合的程度，不像传统机器人的四肢，哺乳动物腿的结构创造了一个高效的可重构的系统，能执行多个任务模式的切换，如散步，跑步和跳跃。
由于真正的哺乳动物的四肢和传统机器人的四肢戏剧性的区别，它更难产生生物现实和传统四肢行走的架构，缺乏共同的合规，至少需要更多的能量，要求大汽车去完成任务，比如跑和跳，结合在肢体动力学方面的不同，这使控制传统机器人完全不同于控制生物的现实肢体，因为它保留了肢体动力学的显著特征，使用一种哺乳动物纤维肢体构架可能允许肢体更容易被CPG控制。
在某些场合两关节肌肉已经实现了，尽管使用复杂的执行机构更难处理，在我们的研究中，我们使用标准智能伺服驱动，连接到一个肩带的系统，模拟肌肉的收缩，最近，无忌表明这种结构被用来产生一种跳跃运动，尽管它也没有结合伸曲肌的关节，在这篇论文中，我们提出一个基于哺乳动物肌肉原则的机器人腿，这项研究使早期对腿的讨论得以继续，我们扩展到所有相关的肌肉和提高传感器。在第二部分，我们将讨论人类腿ninemuscle模型，在第三部分，我们提出完整的设计，基于机器人的腿，在第四部分，我们提出能够显示能量如何在两关节肢体内转移的理论方程，在第五部分，我们提出我们的实验肢体，它能展示射频能量转移的使用和遗传算法，第六部分是讨论和总结。
2人类腿的体系结构
人类的腿可以建模为一个系统的三个关节（臀部，膝盖和脚踝），这包括三个两关节肌肉，腓肠肌，它跨越了膝盖和脚踝，股直肌和腿筋，这两个跨越了臀部和膝盖，在脚踝包括关节肌肉和胫骨前，弯曲的脚踝,和比目鱼肌，结合遗传算法,扩展了脚踝，膝盖是股二头肌弯曲的短，扩展的vatus lateralus(VA),由射频辅助，在臀大肌(GM)髋关节和延伸illiacus(IL)的方向弯曲,臀部。
伸肌的肌肉是那些扩展,或拉直联合,而屈肌弯曲。伸肌的肌肉已经观察到产生更多的力量,crosssectional面积比屈肌或biarticular肌肉建议他们支持体重发挥更大的作用。
脚踝是由三个肌肉:胫骨前(TA)和比目鱼肌(因此),一双屈/伸肌、腓肠肌(GA),biarticular肌肉和膝关节。如果GA放松,所以和助教脚踝的周围独自采取行动施加扭矩。然而,如果GA绷紧,它充当一个约束夫妇膝盖运动踝关节运动,允许vatus lateralus导致踝关节运动。当膝盖挺直了六世的力量,GA穿上高跟鞋,迫使脚趾点。因此,扭矩,外侧Vatus对膝盖产生转矩的脚踝。这演示了如何使用biarticular肌肉转移肢体内的能量。
同样,股直肌(RF)作用于臀部膝关节,使臀大肌(GM)要做的工作膝盖上,进而转移到脚踝。这导致能量传递链,臀大肌minus;→股直肌minus;→腓肠肌minus;→脚踝。
所以和通用汽车都有助于发挥力的脚趾,大大增加力量的总量机器人能够项目推离地面。
同样,在跳,biarticular登陆肌肉让肌肉更接近人体(近端)进一步吸收能量的关节(远端)的身体。换句话说,通过相同的机制,在着陆,力在脚趾可以转化为旋转髋关节和膝关节,如果biarticular肌肉是活跃的。权力通过biarticular传输和减震的肌肉已经被记载在人类。
3实现设计理念
这人的腿机器人腿我们模型的基础实现了。
每一块肌肉是由一个电机建模与支架,凯夫拉尔的皮带扣。肌肉收缩是模仿通过旋转支架,拉着凯夫拉尔带。我们使用主要Robotis RX -28智能汽车以及硝酸钾hsg集团- 5990 tg伺服系统。凯夫拉尔带弹性很低。尽管一些对于吸收冲击和储存弹性可能有用能源、低弹性需要几个关节在一起有效。因为凯夫拉尔带弹性,较低一个关节的运动必须匹配一个等价的运动在其他biarticular肌肉被激活。
腿式机器人所需的执行机构,特别是专为高度动态、重型等任务奔跑和跳跃,必须强大到足以应付大冲击力峰值期间发达脚接地。但如果受到减速齿轮很容易损坏过度扭矩峰值,因此不适合那些高度动态的腿式机器人。我们已经比较了缸力使用获得的数据与通过压力传感器测量负载细胞汽缸室压力。本研究表明高程度的一致性在快速运动和一个稳定的状态静态误差情况下由于忽视气缸摩擦。基于数据将未来力的控制实验确认如果负载细胞是多余的,可以消除未来的版本。
硝酸钾伺服电机设计吩咐到一个特定的位置,它针对不同的扭矩。RX-28马达可以切换位置命令和转矩命令模式。然而,我们在操作位置命令模式的一致性硝酸钾的伺服系统。这意味着实际施加扭矩每个马达会根据数量的不同扭矩需要达到指挥的位置,它是最大扭矩。
测量力的大小在每个“肌肉”,我们设计一个自定义的力传感器组装基于Futek插图FBB300应变规(图4)。一个塑料支架设计可以是凯夫拉尔皮带扣,允许带支架的两侧,拉与皮带的张力。每个力传感器连接到一个仪表放大器和低通滤波器,进而由PIC单片机监控。联合角度测量使用角感应电位计。在以直接测量力的脚踝,我们注册一个额外的传感器在跟腱。这个传感器行为作为一个校准检查自定义上面的力传感器。部队以GA所以肩带应该总和平等衡量跟腱。
整个腿设计如图3所示。这张图片显示了一个CAD图纸包括脚的形状,小腿大腿和臀部的位置汽车在每个部分。这些零件是用一个维度构建3 d部分打印机。对人类肢体关节尺寸是成比例的维度[13],假设一个完整的人形的高度80厘米。一个完全造好腿的图片所示图4。完全腿重约1.4公斤,而站53厘米高。
4工作传递方程
Biarticular肌肉之间传输允许工作由耦合(去耦)关节关节。当biarticular肌肉激活,任何周围的扭矩当biarticular肌肉激活,任何周围的扭矩关节周围产生一个力矩耦合的关节。这可以从图5。
理论上我们可以显示该管接头允许工作上执行近端关节对远端关节被转移到工作。在我们的实验中,我们将只使用六世,通用,所以,射频和GA,所以我们将省略的贡献从其他肌肉。
5诉实验
为了验证工作传递能力,我们吩咐腿扩展从蹲的位置站在峰值位置(图6),从而解除它自己的垂直重量。这个测试是为了关注biarticular肌肉的作用,特别的效果力和转移从通用汽车和重要的工作脚踝。在这个运动,只有射频,GA,六世通用汽车。在开始的测试、GA和射频被激活,激活前增加了延迟通用,六世,因此工作之间的转移关节可以隔绝任何贡献的工作GA和射频。马达控制GA和射频不在测试期间。我们比较这只测试使用关节肌肉(六世,和通用汽车)比较在每种情况下的工作每一个电机。因为汽车操作的位置命令模式下,扭矩所以施加,六世应该增加补偿缺乏援助的力量转移GA和射频。
通过测量电压读数传感器校准从传感器与微力传感器。扭矩对膝盖和脚踝的GA和射频校准关于传感器,通过拉带的角从关节轴垂直于径向向量连接点。观察报告的电压是线性对所有传感器的负载。检查了校准通过比较观察到的力在跟腱,张力的总和在GA和测量。GA的总和所以力传感器近似力测量整个时期腿跟腱密切是移动的。
我们测量了张力传感器在腿部在运动。如果只有关节肌肉使用,我们可以看到大峰值(40 n)的紧张局势和六世(图7),这表明这些汽车所做的大多数工作在膝盖和脚踝。与此同时,通用汽车轴承负载(5 n)相对较少。我们验证部队在biarticular肌肉是零,但省略了这个数字的空间。相比之下,当biarticular肌肉激活(参见无花果。8和9)通用经历一个大飙升(55 n),而经历小紧张。六世和通用的峰值在运动可以与射频的紧张局势和GA相比,显示这个力被转移。这个结果表明从远端部位使用biarticular肌肉减轻负载像预期的那样。我们还应注意,当使用关节汽车,所以经常超载,表明一个关节系统需要更大、更重脚踝汽车来执行相同的任务。
执行工作的脚踝被乘法计算微分在每个样本的角度的变化力在每个时间步,累计求和(图10),然后执行符合验证工作上面的方程。正如所料,所做的功GA的总和,所以加起来接近测量由传感器在跟腱。执行的工作射频和GA脚踝和计算膝关节角度,如图11所示。一致的方程10到13,在射频工作膝盖和臀部、膝盖和脚踝的GA是相等的。这代表了被转移的工作量biarticular肌肉,工作中减去从膝盖由遗传算法并将其添加到脚踝。我们可以看到工作执行的六世几乎消耗的膝盖运动。然而,通用汽车的负载剩下的膝盖和脚踝,工作时确实很少,表明有效地执行工作由通用汽车被转移的腿的脚踝。
检查,我们可以比较计算的工作应该将在扩展的腿。总工作由机器人可以被估计为取消的工作W = mgh质心。机器人的髋部(包含最大规模的)移动大约7厘米高,给一个工作估计0.96 n - m。这大约是相同的在脚踝的工作量如所示。
最后,机器人使用最多的3当前在18 v RX-28汽车和最多3在7.6 v硝酸钾伺服系统,总共76.8 w,这条腿非常节能,。
6结论
我们已经构建了一个基于人类肌肉功能的机器人腿架构。这条腿采用flexor-extensor体系结构以及biarticular肌肉,建模所有9个的几大主要肌肉群在人类的腿参与平面散步。前一个版本的腿只包括[5]7肌肉和分析只对能量转移通过GA(RF)。我们现在能够准确地测量力在所有“肌肉”的腿,让我们观察内的权力移交的肢体完整的腿。
我们测试了腿部的力量转移近端到远端通过指挥汽车从蹲站的位置。在这个机器人的腿腿扩展有效地传输功率从臀部到脚踝。工作通用汽车预计执行的腿通过GA和射频biarticulate肌肉。大部分的负载由通用汽车、肌肉的身体。力传感器测量显示适当的紧张局势的变化biarticulate肌肉,展示力被转移从近端到远端肢体部分。通过比较势力与没有biarticular肌肉,肌肉看到脚踝不需要更多的力量biarticular肌肉。这表明biarticular允许更大的质量集中在肌肉的身体,项目,并允许腿力向外转移工作的肢体。这表明我们的机器人腿设计,结合biarticular肌肉,展品的一个关键特征生物肢体重要生物学现实散步。
这个机器人包括确定未来的工作最优在肢体肌肉时机以及冲击吸收和能量传递不同的任务。这种肢体将搭配一个相同的肢体形成一个人形两足动物。
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