步行機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

1、步行機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)Keisuke Arikawa , Shigeo Hirose摘要現(xiàn)有致動(dòng)器如電動(dòng)馬達(dá)的功率重量比和能量效率性能是非常有限的。在本文中，我們探討在這個(gè)嚴(yán)格約束的條件下，結(jié)合重力分離驅(qū)動(dòng)（GDA）和耦合驅(qū)動(dòng)兩個(gè)概念，設(shè)計(jì)一種實(shí)用步行機(jī)的方法。一方面，GDA將解耦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來抵抗重力場，壓制負(fù)面動(dòng)力并且提高能源效率。另一方面，耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在致動(dòng)器中均勻地分配輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大化利用。首先，我們詳細(xì)地描述GDA和耦合驅(qū)動(dòng)。然后，我們分別展示實(shí)際中以GDA為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)，TITAN-III和TITAN-VIII；以耦合驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)NINJA

2、-I和NINJA-II。最后，我們探討步行機(jī)器在地面、墻面和天花板等三維地形（3D地形）上的行走狀況。通過控制步行姿態(tài)，我們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬演示，從而能夠選擇性的利用GDA和耦合驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵詞：步行機(jī)；機(jī)械設(shè)計(jì)；重力分離驅(qū)動(dòng)；耦合驅(qū)動(dòng)；一、介紹步行有如下這些有趣的特征，它不需要車輪或履帶（如圖1）。(1)它在凹凸不平的地面上有很高的行駛性能。(2)它可以一步一步地在地面上行走。(3)它可以不接觸而直接跨過障礙。(4)它可以不改變自身方向而向任意方向行走。(5)它可以在腳不離地的條件下移動(dòng)身體。(6)它基本上不會(huì)損傷地面。（腳和地面不打滑）如果步行機(jī)可以充分地發(fā)揮這些特性，那么它們就可以代替人類

3、從事各種危險(xiǎn)工作，比如化學(xué)和核電站的維護(hù)，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場的救援行動(dòng)，山區(qū)里的貨物運(yùn)輸以及人道主義排雷。在腳上安裝一個(gè)吸塵裝置，它們就能夠做如高層建筑外墻、公路上的柱子和隧道內(nèi)壁的維護(hù)工作。然而，不幸的是，目前能夠做這些工作的實(shí)用步行機(jī)器很少。其主要原因在于機(jī)械設(shè)計(jì)，特別是致動(dòng)器性能的限制，如電動(dòng)馬達(dá)。至于用輪子或履帶的移動(dòng)機(jī)器，基本上兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就足夠用來行走。一個(gè)用來提供推力一個(gè)用來轉(zhuǎn)向。然而對(duì)于步行機(jī)器，為了使腳能夠移動(dòng)到所需的三維位置，通常情況下一條腿至少需要安裝三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因?yàn)椴叫袡C(jī)器需要兩個(gè)或是更多這樣的腿，所以與輪子或是履帶相比，他們有更多的致動(dòng)器。然而，目前可用致動(dòng)器如電動(dòng)馬達(dá)的功率

4、重量比和能量效率性能是非常有限的。由于步行機(jī)器有許多這樣的致動(dòng)器，所以往往就變得不切實(shí)際。即盡管消耗巨大的能量，它們也只能勉強(qiáng)支撐起自身的重量。在如此艱難的情況下，特別考慮到腿部機(jī)器對(duì)于盡可能地開發(fā)一種實(shí)用型步行機(jī)器是重要的。本次研究以兩個(gè)概念為中心，這兩個(gè)概念對(duì)于步行機(jī)器腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是及其有用的。其中一個(gè)是重力分離驅(qū)動(dòng)（GDA），另一個(gè)是耦合驅(qū)動(dòng)。GDA將解耦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來抵抗重力場，壓制負(fù)面動(dòng)力并且提高能源效率。耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在致動(dòng)器中均勻地分配輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大化利用。在本文中，我們先詳細(xì)地描述GDA和耦合驅(qū)動(dòng)。然后，我們分別展示以這些概念為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾種步行機(jī)。由

5、于GDA狀態(tài)的解耦以及耦合驅(qū)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)合，它們看起來似乎是相互矛盾的。然而，從某種角度上說，它們可以被看成是非常相似的概念。這一點(diǎn)也將在本文中提到。此外，通過適當(dāng)?shù)乜刂撇叫凶藨B(tài)，同樣的步行機(jī)器可以選擇性利用GDA和耦合驅(qū)動(dòng)。我們通過演示步行機(jī)在三維環(huán)境（在這種環(huán)境下，不僅需要在平地上行走，也需要在墻上和天花板上行走）也稱三維地形（地形）里行走來解釋這一點(diǎn)。二、通過解耦驅(qū)動(dòng)器提高能源效率（1） 正負(fù)功率消耗要制作切實(shí)可行的步行機(jī)，能量源，如電池應(yīng)安裝在機(jī)器上。然而，考慮到由于重量增加而導(dǎo)致的行駛性能下降，在機(jī)器上安裝這么多的能源是不可能的。因此，行走的能源效率是步行機(jī)器的重要性能指標(biāo)之一。

6、致動(dòng)器產(chǎn)生的熱量和摩擦等這些因素導(dǎo)致能量損耗。另外，在機(jī)器被許多致動(dòng)器如腿部機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的情況下，有一個(gè)獨(dú)特的機(jī)制會(huì)導(dǎo)致大量的能量損失。這種機(jī)制可以通過關(guān)注由致動(dòng)器產(chǎn)生的功率（在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的能量的符號(hào)）的符號(hào)進(jìn)行說明。功率有符號(hào)，比如正負(fù)功率，并且致動(dòng)器可以產(chǎn)生正的和負(fù)的功率。這里，“致動(dòng)器產(chǎn)生負(fù)電”是指“動(dòng)力是致動(dòng)器的輸出端供給”，或者說“致動(dòng)器用于制動(dòng)”。當(dāng)一個(gè)機(jī)構(gòu)僅由一個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí)，致動(dòng)器所產(chǎn)生的動(dòng)力也就是機(jī)構(gòu)輸出到外部的動(dòng)力，并且所述功率的符號(hào)自然是相同的。然而，當(dāng)一個(gè)機(jī)構(gòu)是由多個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)輸出到外部的功率符號(hào)和每個(gè)致動(dòng)器產(chǎn)生的功率符號(hào)并不總是相同的。以圖2中機(jī)構(gòu)所提升的重

7、量為例。其中，力的方向和速度的方向?qū)μ嵘匚锒际潜匾?，?dāng)它們方向相同時(shí)，機(jī)構(gòu)輸出到外部的功率的符號(hào)為正。首先，如圖2a所示的位置時(shí)，扭矩和的方向，角速度和的方向都是由同一構(gòu)件產(chǎn)生，是相同的，所以功率和的符號(hào)都是正的（）。另一方面，如圖2b所示的位置時(shí)，和由構(gòu)件2產(chǎn)生，方向相同，從而；而和由構(gòu)件1產(chǎn)生，方向相反，從而。當(dāng)忽略摩擦和其他因素的影響，輸入到機(jī)構(gòu)中的功率和機(jī)構(gòu)向外部輸出的功率相等。 （2.1）因此，如圖2b所示的位置時(shí)，可由如下式子表出（）： （2.2）在等式中，機(jī)構(gòu)向外輸出的功率全部由構(gòu)件2提供，同樣全部由構(gòu)件1提供。此外，我們可以假設(shè)構(gòu)件1提供的功率也就是構(gòu)件1產(chǎn)生的負(fù)功率以熱能

8、（很難在步行機(jī)器上安裝一個(gè)輕便的動(dòng)力再生系統(tǒng)）的方式產(chǎn)生輻射。因此，如圖2b所示位置時(shí)，最小值必然能夠產(chǎn)生。在這個(gè)例子中，一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生正的功率而另一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生負(fù)的功率的條件顯然是不合理的。而這也是能量損失的一個(gè)主要原因，因此要盡可能地避免這個(gè)條件。（2） 重力分離驅(qū)動(dòng)假設(shè)步行機(jī)器在平坦的地面上以恒定的速度行走而不改變重心在垂直方向的位置。與主體相比，腿部的重量可以忽略。在這種情況下，行進(jìn)的方向和支撐自身重量的力的方向是正交的，所以在理論上，這種行進(jìn)是不需要?jiǎng)恿Φ?。因此由?gòu)件產(chǎn)生功率的和總是為0，即（2.3）因此，除非所有的構(gòu)件產(chǎn)生的功率，不然一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生正的功率必有另一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生負(fù)的功率。其中

9、，我們考慮如圖3所示的兩種步行機(jī)器。在圖3a所示的步行機(jī)器中，每一個(gè)鉸接點(diǎn)必然會(huì)同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和角速度，手柄垂直于地面時(shí)除外。因此，每一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生功率都不為0，并且一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的正功率等于另一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的負(fù)功率。另一方面，在圖3b所示的步行機(jī)器中，從理論上講，水平構(gòu)件b1只產(chǎn)生速度而沒有力的作用，構(gòu)件b2只有力而不產(chǎn)生速度。因此，兩個(gè)鉸接點(diǎn)處產(chǎn)生的功率都始終為0。所以，假設(shè)圖3b中的步行機(jī)器比圖3a中的步行機(jī)器有更高的行走能源效率。事實(shí)上，加速度不可能為0，腿部的重量不可能為0，并且存在摩擦。因此，構(gòu)件b1有力的存在，構(gòu)件b2也有速度。但是在腿部抬的不是太高并且行駛速度相對(duì)較低時(shí)，我們認(rèn)為這些影

10、響因素所產(chǎn)生動(dòng)力的強(qiáng)度是相當(dāng)小的。該GDA旨在執(zhí)行一個(gè)理論上不需要?jiǎng)恿Φ膭?dòng)作時(shí)，讓所有驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的功率為0并且提高能源效率。這一點(diǎn)可以通過設(shè)計(jì)這樣的機(jī)器來實(shí)現(xiàn)，控制產(chǎn)生力（力矩）而不產(chǎn)生速度（角速度），或如圖3b所示的機(jī)器產(chǎn)生速度而不產(chǎn)生力。（3） 基于GDA的步行機(jī)器如圖4所示的四足步行機(jī)TITAN-III和稱為PANTOMEC (三維縮放式機(jī)構(gòu))(Hirose et al. 1985)的腿部機(jī)構(gòu)輪廓的圖像。常規(guī)的縮放機(jī)構(gòu)只能在平面上移動(dòng)。另一方面，PANTOMEC在保持所述伸縮機(jī)構(gòu)功能的同時(shí)能夠在三維空間里面移動(dòng)。在圖4b中，點(diǎn)R在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)Q在水平面上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)點(diǎn)R固定，點(diǎn)Q在水平

11、面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)P（趾）也在水平面運(yùn)動(dòng)。與此相反，當(dāng)點(diǎn)Q固定，點(diǎn)R在垂直方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)P也在水平面上運(yùn)動(dòng)。另外，點(diǎn)P的移動(dòng)量是點(diǎn)Q或點(diǎn)R移動(dòng)量的倍數(shù)。如上所示，TITAN-III的腿部機(jī)構(gòu)PANTOMEC似乎是由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的簡單機(jī)構(gòu)，它事實(shí)上等同于將圖3b所示機(jī)器進(jìn)行三維的放大。由于這種機(jī)構(gòu)，TITAN-III獲得GDA并且有很高的行走性能。圖5顯示了四足步行機(jī)TITAN-VIII的圖像(Hirose & Arikawa 1999, 2001)TITAN-VIII的腿部機(jī)構(gòu)是有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。腿部機(jī)構(gòu)由三個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。TITAN-VIII不是通過每個(gè)腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)用GDA而是通過

12、優(yōu)化走路姿勢獲得GDA。其標(biāo)準(zhǔn)的走路姿勢如圖5所示，一條腿伸到行駛方向的一側(cè)。這種姿態(tài)能獲得GDA（當(dāng)然它也可以用其他姿態(tài)行走而不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)的步行姿態(tài)）。在這種姿態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副1需要產(chǎn)生角速度來使腳前后擺動(dòng)，但不需要產(chǎn)生扭矩。轉(zhuǎn)動(dòng)副2需要產(chǎn)生扭矩來支撐自身的重量，而不需要產(chǎn)生角速度。另外，由于手柄基本上總是保持與地面垂直，因此，轉(zhuǎn)動(dòng)副3不需要產(chǎn)生扭矩和角速度。換句話說，這種步行姿態(tài)通過使每一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副產(chǎn)生的功率幾乎為0，從而實(shí)現(xiàn)GDA條件。其中，TITAN-VIII腿部的慣性是相當(dāng)小的，因?yàn)樗兄聞?dòng)器（DC馬達(dá)）都安裝在主體旁邊，并且所有關(guān)節(jié)都通過導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)。因此，擺動(dòng)并抬起腿部的扭矩相當(dāng)小。如此，

13、GDA既可以通過該機(jī)構(gòu)排布來實(shí)現(xiàn)，又可以通過控制行走姿態(tài)來得到。三、耦合驅(qū)動(dòng)提高輸出功率（1） 執(zhí)行構(gòu)件的功率重量比和機(jī)器的性能許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)都要求有給機(jī)器提供多樣化運(yùn)動(dòng)的能力。然而，正像我們前面提到的一樣，目前可用致動(dòng)器的功率重量比十分有限，所以如果許多致動(dòng)器沒有慎重考慮就安裝，將會(huì)導(dǎo)致過多重量增加。其結(jié)果是機(jī)器遭遇兩難困境，當(dāng)為實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)功能而安裝許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，自身的重量會(huì)嚴(yán)重的損害其運(yùn)動(dòng)性能。當(dāng)機(jī)器固定在地面上時(shí)，比如工業(yè)機(jī)器人，把執(zhí)行機(jī)構(gòu)放在基本位置，這種困境在某種程度上可以解決。然而，當(dāng)涉及到需要支撐自身重量并且行走的移動(dòng)機(jī)器時(shí)，這樣的措施是無用的。在各種各樣的移動(dòng)機(jī)器中，這種困境

14、對(duì)需要特別多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步行機(jī)來說是需要特別關(guān)注的。（2） 耦合驅(qū)動(dòng)處理這個(gè)難題的設(shè)計(jì)方法也就是我們這里描述的耦合驅(qū)動(dòng)。首先，我們引入耦合驅(qū)動(dòng)的基本概念，以如圖6所示的兩種類型的自行車為例。圖6a所示是一個(gè)普通的自行車，圖6b是一個(gè)運(yùn)動(dòng)型的自行車。對(duì)人來說執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是肌肉，騎普通自行車僅需腿部肌肉。另一方面，騎運(yùn)動(dòng)類型的自行車，不僅需要腿部肌肉，而且需要全身肌肉。因此，即使相同的人騎車，運(yùn)動(dòng)類型的自行車可以產(chǎn)生比常規(guī)自行車更快的速度。也就是說，騎運(yùn)動(dòng)類型自行車的人能更高效使用裝備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（肌肉）。機(jī)器還可以通過最大化地利用安裝的致動(dòng)器來獲得更大的輸出。因此，我們定義致動(dòng)指數(shù)為，并用下面等式作

15、為定量指標(biāo)，來指示致動(dòng)器安裝的利用率。 （3.1）的最大值為1，并且意味著所有的執(zhí)行構(gòu)件發(fā)揮最大的動(dòng)力來執(zhí)行預(yù)定運(yùn)動(dòng)。此外，根據(jù)他們的最大輸出功率，在安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中同等分配的輸出功率越多，致動(dòng)指數(shù)也就越大。耦合驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)是優(yōu)化機(jī)構(gòu)和控制，以保持盡可能高，并最大限度的降低由安裝太多執(zhí)行機(jī)構(gòu)(Hirose & Sato 1989)導(dǎo)致自身重量增加的影響。然后，我們以攀巖機(jī)器為例更具體地說明耦合驅(qū)動(dòng)。首先，我們來探討圖7所示的兩類攀巖機(jī)器。兩個(gè)機(jī)器的腿部機(jī)構(gòu)由兩個(gè)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。為簡化起見，假定每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出功率相等。圖7a所示的攀巖機(jī)僅使用一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)c1。因此，它僅使用了所安裝

16、執(zhí)行機(jī)構(gòu)總功率的一半。另一方面，圖7b所示的攀巖機(jī)器用了兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)d1和d2。也就是說，盡管這兩個(gè)機(jī)器所安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全部功率是相同的，在攀巖時(shí)，圖7b所示的攀巖機(jī)器與圖7a所示的攀巖機(jī)器相比要用兩倍的功率，從耦合驅(qū)動(dòng)的觀點(diǎn)來看，圖7b所示的攀巖機(jī)器更理想些。然后，我們討論圖8 所示攀巖機(jī)器的攀爬運(yùn)動(dòng)，這些機(jī)器的腿部機(jī)構(gòu)也是由兩個(gè)平移驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。假設(shè)每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大功率是相同的。在看這臺(tái)機(jī)器時(shí)，以圖8a所示的姿勢爬墻似乎是自然的。然而，以這個(gè)姿態(tài)攀巖，水平驅(qū)動(dòng)器驅(qū)使機(jī)器的貢獻(xiàn)不大。另一方面，當(dāng)以圖8b所示姿態(tài)攀巖就可以利用起所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率。也就是說，從耦合驅(qū)動(dòng)的觀點(diǎn)出發(fā)，以圖8b所示

17、的姿態(tài)攀巖比圖8a所示的姿態(tài)攀巖更可取。（3） 基于耦合驅(qū)動(dòng)的步行機(jī)圖9展示了四足步行機(jī)NINJA-I以及其腿部機(jī)構(gòu)(Hirose et al. 1991)的輪廓圖像。每條腿配有一個(gè)吸杯，機(jī)器利用這些吸杯來攀巖。腳從中心軸通過從而可以在極坐標(biāo)下移動(dòng)（伸縮花鍵軸通過一個(gè)萬向節(jié)連接到主體），這是由三個(gè)平移驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)。平移驅(qū)動(dòng)器由直流電機(jī)和滾珠絲杠組成。NINJA-I的腿部機(jī)構(gòu)是圖7b所示腿部機(jī)構(gòu)的三維擴(kuò)展。所有的平移驅(qū)動(dòng)器幾乎都水平放置，可以充分利用所安裝驅(qū)動(dòng)器來攀巖，它需要的動(dòng)力是所有運(yùn)動(dòng)中最大的。圖10展示了NINJA-I的改進(jìn)模型NINJA-II (Nagakubo & Hiros

18、e 1994)。NINJA-II的腿部機(jī)構(gòu)也是由3個(gè)基本上水平放置的平移驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，但這種運(yùn)動(dòng)是通過連桿機(jī)構(gòu)使運(yùn)動(dòng)范圍變大。通過利用步行機(jī)器的獨(dú)特優(yōu)勢，NINJA不僅可以在平地上行駛，而且可以從地上到墻上，從墻上到天花板以及拐角處（比如從北墻到東墻）移動(dòng)。四、解耦和耦合驅(qū)動(dòng)（1） 由耦合驅(qū)動(dòng)解讀GDA在這之前，我們已經(jīng)描述過GDA和耦合驅(qū)動(dòng)。GDA描述了解耦和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的耦合驅(qū)動(dòng)聯(lián)接，因此，他們看似是相互矛盾的概念。然而，這些概念從某種角度可被視為高度相容的，GDA也可以從耦合驅(qū)動(dòng)的角度來解釋。在GDA，當(dāng)執(zhí)行一個(gè)不需要任何動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)時(shí)，各執(zhí)行構(gòu)件產(chǎn)生的功率應(yīng)該為零（見§2b）。另一方

19、面，在耦合驅(qū)動(dòng)的情況下，輸出功率應(yīng)在所安裝的驅(qū)動(dòng)器中平均分配（見§3b）。在這里，我們做了一個(gè)在GDA中并不可取的建設(shè)條件，即一個(gè)致動(dòng)器產(chǎn)生負(fù)功率和另一個(gè)執(zhí)行器雖然所需的功率是零但產(chǎn)生正功率。正如我們前面所解釋的，產(chǎn)生負(fù)功率的執(zhí)行機(jī)構(gòu)從產(chǎn)生正功率的驅(qū)動(dòng)器接收功率。產(chǎn)生正功率的致動(dòng)器的電力負(fù)載比產(chǎn)生負(fù)電力的致動(dòng)器的較重。我們可以假定在這種情況下，輸出功率僅在產(chǎn)生正功率的致動(dòng)器中分布。與此相反，當(dāng)GDA達(dá)到或各致動(dòng)器不產(chǎn)生功率時(shí)，我們就可以假定輸出功率（=0）平均分布在所有致動(dòng)器中。而這正是耦合驅(qū)動(dòng)所期望的。（2） 適用于三維地形的步行機(jī)所謂3D地形是不僅包括平地，而且還包括墻壁和天花板

20、的行駛環(huán)境。如今，在各個(gè)領(lǐng)域都十分需要能夠在3D地形上行走的移動(dòng)設(shè)備，如高層建筑外墻、公路上的柱子和隧道內(nèi)壁的維護(hù)。與在普通環(huán)境下行走相比，在3D地形上的行走需要更為多樣化的運(yùn)動(dòng)，比如從地面到墻上以及從墻上到天花板。因此，我們假定這種步行機(jī)器最適合在3D地形上行走。在這里，我們專注于在3D地形行走的兩種主要運(yùn)動(dòng)，也就是地面行走（行駛在水平地面上）和攀巖（攀垂直的墻）。正如§2b中所說,GDA的概念對(duì)地面行走步行機(jī)的設(shè)計(jì)和控制是有用的。另外，如§b所講，耦合驅(qū)動(dòng)的概念對(duì)攀巖步行機(jī)的設(shè)計(jì)和控制是有用的。在3D地形上行走的步行機(jī)需要執(zhí)行地面行走和攀巖兩種動(dòng)作，因此，如果能聯(lián)合使用

21、GDA和耦合驅(qū)動(dòng)來保證更高的行駛性能是理想的。然而，正如圖3b中的一個(gè)所示，在攀巖時(shí)為在地面行走而優(yōu)化的腿部機(jī)構(gòu)很難使用耦合驅(qū)動(dòng)，并且如圖7b中的一個(gè)所示，在地面行走時(shí)為攀巖而優(yōu)化的腿部機(jī)構(gòu)很難使用GDA。因此，我們的目的是調(diào)整步行姿態(tài)適應(yīng)行駛環(huán)境，從而利用GDA和耦合驅(qū)動(dòng)，而不是為了GDA和耦合驅(qū)動(dòng)來優(yōu)化腿部機(jī)構(gòu)(Arikawa & Hirose 1995)。如圖11所示，為了步行機(jī)能夠在3D地形上行走，我們假設(shè)一個(gè)腿部機(jī)構(gòu)由三個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。這種腿部機(jī)構(gòu)不是為GDA和耦合驅(qū)動(dòng)而優(yōu)化的，只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)。另外，在地面行走時(shí)我們假設(shè)接觸地面或墻面的腳所產(chǎn)生的力的方向是-Z，在攀巖時(shí)是-

22、X，在地面行走和攀巖時(shí)的速度方向都是-X。當(dāng)腳部在的平面上時(shí)，圖展示了致動(dòng)器所產(chǎn)生的功率。由腳部的一點(diǎn)往上延伸，右下和左下的點(diǎn)的區(qū)段分別對(duì)應(yīng)致動(dòng)器1、2、3產(chǎn)生的功率（見圖11）。實(shí)線表示正功率，虛線表示負(fù)功率，并且線段的長度表示功率的強(qiáng)度。首先，我們測試地面行走。負(fù)功率是在可變范圍內(nèi)的擴(kuò)展區(qū)域中產(chǎn)生，但是當(dāng)腳處于GA和GB區(qū)域時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)有很少的負(fù)功率并且由所有致動(dòng)器產(chǎn)生的功率為零（當(dāng)腳處于GA區(qū)域，手柄和地面垂直；當(dāng)腳處于GB區(qū)域，腿部正交于行駛方向）。換言之，當(dāng)腳在GA和GB區(qū)域時(shí)，GDA條件得以實(shí)現(xiàn)。從這些區(qū)域的形狀來判斷，步行機(jī)在如圖12a陰影區(qū)域地面行走時(shí)，如果能夠使用圖13所示的

23、步行姿態(tài)，它可以盡可能的在保持GDA的條件下行走。然后，我們測試攀巖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)功率只在原點(diǎn)附近的區(qū)域中產(chǎn)生，但是致動(dòng)器產(chǎn)生的功率在可動(dòng)范圍內(nèi)顯著波動(dòng)。例如，當(dāng)腳在CA區(qū)域時(shí)，大部分功率由驅(qū)動(dòng)器、產(chǎn)生；當(dāng)腳在CC區(qū)域時(shí)，大部分功率由驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生。正如§3b所述，根據(jù)他們的最大輸出功率，輸出功率在所有驅(qū)動(dòng)器中分配越均勻，致動(dòng)指數(shù)就越大，耦合驅(qū)動(dòng)的效果也越大。因此，例如，當(dāng)每個(gè)安裝致動(dòng)器的最大輸出功率相同時(shí)，如果步行機(jī)在如圖12b的使用面積CB攀巖時(shí)，以圖13所示姿態(tài)能夠達(dá)到耦合驅(qū)動(dòng)。如上所述，當(dāng)在3D地形上行走時(shí)，按照行走環(huán)境，對(duì)應(yīng)選擇最合適的步行姿態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)GDA和耦合驅(qū)動(dòng)的作用。

24、五、結(jié)論本次研究討論設(shè)計(jì)高行駛性能步行機(jī)的有用方法，重點(diǎn)是兩個(gè)概念GDA和耦合驅(qū)動(dòng)。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)不需要?jiǎng)恿Φ膭?dòng)作時(shí)，GDA解耦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從而使致動(dòng)器產(chǎn)生的功率為零并且提高行駛的能源效率。根據(jù)它們的最大輸出功率和安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大化利用，耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在致動(dòng)器中均勻地分配輸出功率。目前可用的驅(qū)動(dòng)器的功率重量比和能源效率有限，這給步行機(jī)的設(shè)計(jì)造成了嚴(yán)重的限制。然而，即使在這種情況下，GDA和耦合驅(qū)動(dòng)將應(yīng)用于實(shí)際的步行機(jī)。注釋One contribution of 15 to a Theme Issue Walking machines.© 2006 The Royal Society參考文獻(xiàn)1.Arikawa, K. & Hirose, S. 1995 Study of walking robot for 3 dimensional terrain. In Proc. IEEE Robotics and Automation 95, pp. 703708.2.Hirose S, Arikawa K1999 Development of quadruped walking robot