步行机的机械设计精选.doc

步行机的机械设计 Keisuke Arikawa , Shigeo Hirose 摘要 现有致动器如电动马达的功率—重量比和能量效率性能是非常有限的。在本文中，我们探讨在这个严格约束的条件下，结合重力分离驱动（GDA）和耦合驱动两个概念，设计一种实用步行机的方法。一方面，GDA将解耦驱动系统来抵抗重力场，压制负面动力并且提高能源效率。另一方面，耦合驱动结合驱动系统在致动器中均匀地分配输出功率，从而实现安装执行机构的最大化利用。首先，我们详细地描述GDA和耦合驱动。然后，我们分别展示实际中以GDA为基础设计的四足步行机，TITAN-III和TITAN-VIII；以耦合驱动为基础设计的四足步行机NINJA-I和NINJA-II。最后，我们探讨步行机器在地面、墙面和天花板等三维地形（3D地形）上的行走状况。通过控制步行姿态，我们利用计算机进行模拟演示，从而能够选择性的利用GDA和耦合驱动。 关键词：步行机；机械设计；重力分离驱动；耦合驱动； 一、介绍 步行有如下这些有趣的特征，它不需要车轮或履带（如图1）。 (1)它在凹凸不平的地面上有很高的行驶性能。 (2)它可以一步一步地在地面上行走。 (3)它可以不接触而直接跨过障碍。 (4)它可以不改变自身方向而向任意方向行走。 (5)它可以在脚不离地的条件下移动身体。 (6)它基本上不会损伤地面。（脚和地面不打滑） 如果步行机可以充分地发挥这些特性，那么它们就可以代替人类从事各种危险工作，比如化学和核电站的维护，灾区现场的救援行动，山区里的货物运输以及人道主义排雷。在脚上安装一个吸尘装置，它们就能够做如高层建筑外墙、公路上的柱子和隧道内壁的维护工作。然而，不幸的是，目前能够做这些工作的实用步行机器很少。其主要原因在于机械设计，特别是致动器性能的限制，如电动马达。 至于用轮子或履带的移动机器，基本上两个执行机构就足够用来行走。一个用来提供推力一个用来转向。然而对于步行机器，为了使脚能够移动到所需的三维位置，通常情况下一条腿至少需要安装三个执行机构。因为步行机器需要两个或是更多这样的腿，所以与轮子或是履带相比，他们有更多的致动器。然而，目前可用致动器如电动马达的功率—重量比和能量效率性能是非常有限的。由于步行机器有许多这样的致动器，所以往往就变得不切实际。即尽管消耗巨大的能量，它们也只能勉强支撑起自身的重量。在如此艰难的情况下，特别考虑到腿部机器对于尽可能地开发一种实用型步行机器是重要的。 本次研究以两个概念为中心，这两个概念对于步行机器腿部机构的设计是及其有用的。其中一个是重力分离驱动（GDA），另一个是耦合驱动。GDA将解耦驱动系统来抵抗重力场，压制负面动力并且提高能源效率。耦合驱动结合驱动系统在致动器中均匀地分配输出功率，从而实现安装执行机构的最大化利用。在本文中，我们先详细地描述GDA和耦合驱动。然后，我们分别展示以这些概念为基础设计的几种步行机。由于GDA状态的解耦以及耦合驱动与驱动系统的结合，它们看起来似乎是相互矛盾的。然而，从某种角度上说，它们可以被看成是非常相似的概念。这一点也将在本文中提到。此外，通过适当地控制步行姿态，同样的步行机器可以选择性利用GDA和耦合驱动。我们通过演示步行机在三维环境（在这种环境下，不仅需要在平地上行走，也需要在墙上和天花板上行走）也称三维地形（３Ｄ地形）里行走来解释这一点。 二、通过解耦驱动器提高能源效率 正负功率消耗 要制作切实可行的步行机，能量源，如电池应安装在机器上。然而，考虑到由于重量增加而导致的行驶性能下降，在机器上安装这么多的能源是不可能的。因此，行走的能源效率是步行机器的重要性能指标之一。致动器产生的热量和摩擦等这些因素导致能量损耗。另外，在机器被许多致动器如腿部机构驱动的情况下，有一个独特的机制会导致大量的能量损失。这种机制可以通过关注由致动器产生的功率（在单位时间内所产生的能量的符号）的符号进行说明。 功率有符号，比如正负功率，并且致动器可以产生正的和负的功率。这里，“致动器产生负电”是指“动力是致动器的输出端供给”，或者说“致动器用于制动”。当一个机构仅由一个致动器驱动时，致动器所产生的动力也就是机构输出到外部的动力，并且所述功率的符号自然是相同的。然而，当一个机构是由多个致动器驱动时，机构输出到外部的功率符号和每个致动器产生的功率符号并不总是相同的。 以图2中机构所提升的重量为例。其中，力的方向和速度的方向对提升重物都是必要的，当它们方向相同时，机构输出到外部的功率的符号为正。首先，如图2a所示的位置时，扭矩和的方向，角速度和的方向都是由同一构件产生，是相同的，所以功率和的符号都是正的（）。另一方面，如图2b所示的位置时，和由构件2产生，方向相同，从而；而和由构件1产生，方向相反，从而。 当忽略摩擦和其他因素的影响，输入到机构