机器人/组件/致动器/气动肌肉
多年来，完全自主、任务能力的腿式机器人一直是机器人学家的圣杯。此类机器的开发受到致动器和动力技术以及控制方案的阻碍，这些技术无法与自然界中即使是最“简单”的系统相提并论。
面对如此艰巨的任务，越来越多的研究人员开始向生物机制寻求灵感，也就不足为奇了。
生物学为机器人设计提供了丰富的灵感。数百万种动物已经进化出高效的运动和运动控制解决方案。
特别是昆虫，不仅以其速度和敏捷性而闻名，而且还以其穿越一些最难以想象的地形的能力而闻名；昆虫可以在岩石地面上行走，倒立行走，攀爬垂直表面，甚至在水上行走。此外，昆虫几乎可以立即对腿部受伤或移除做出反应，通过改变姿态和步态来维持高效的运动，即使腿部减少了 [1]。考虑到自主性的最终目标，这种重新配置运动策略的能力对于自主机器人的鲁棒性至关重要 [2]。
当然，还有其他能够产生运动的机制，最值得注意的是轮子和履带。虽然这些设备的设计和实现无疑容易得多，但它们也具有一些缺点，阻碍了它们在军事或探险应用中的使用。这些限制中的首要限制是，轮子和履带在一定程度上不能穿越腿式车辆能够机动穿越的几乎一样复杂的地形 [2]。即使是专门为恶劣地形设计的轮式和履带式车辆也不能越过比车辆本身短得多的障碍物；另一方面，腿式车辆可以预期攀爬高达其自身高度两倍的障碍物，就像一只蟑螂一样。仅此一项移动性限制就意味着，在任何没有相当平坦、连续地形的环境中，步行车辆远比轮式或履带式车辆更可取。腿式车辆也天生比那些依赖轮子或履带的车辆更稳健。六足机器人失去一条腿只会导致机动性略微下降；对于轮式车辆来说，车轮损坏可能意味着移动性的终结，而履带损坏几乎总是导致灾难性的故障。最后，腿式车辆比轮式车辆更能够在间歇性基板上（例如，板条表面）上导航 [3]。
鉴于前面关于在某些环境中使用腿式运动的论点，人们面临着一项艰巨的任务，即实际设计出一款高效的腿式机器人。虽然这样的任务至少可以说是困难的，但大自然已经为我们（从字面上）提供了一个充满模板的世界。可以找到能够在几乎任何表面上导航的动物，工程师越来越多地从这些自然运动问题的解决方案中汲取灵感。
2. 执行器选择 执行器选择在任何移动机器人设计中都起着举足轻重的作用，因为执行器的形状、尺寸、重量和强度都必须考虑在内，并且执行器的电源通常对机器人的潜在能力构成最大限制。执行器像机器人的肌肉和关节一样执行，以实现运动。
生物体比机械系统具有很大的优势，因为肌肉（自然选择的执行器）具有良好的力重比，并且需要较低的激活能量。它们可调的被动刚度特性也非常适合节能的腿式运动。最常用的执行器，电机和气动/液压缸，远不如其生物对应物。
电机可能是现代机器人技术中最常用的致动和控制设备，而且有充分的理由。各种尺寸的电机都可以轻松获得，并且非常容易控制。这些设备也相当容易实现，通常只需要几个电气连接。但是，电机有一些缺点。最重要的是，它们的力重比远低于气动和液压装置，在腿式机器人等领域，重量至关重要，这使得它们不适合许多应用。通常，电机系统的功率重量比为 50-100 W/kg（仅包括电机和减速器，在额定功率下运行），而流体系统产生 100-200 W/kg（包括执行器和阀门重量）[4]，而生物肌肉，其特性差异很大，产生 40-250 W/kg [5]。此外，当试图利用动物的有效生物力学设计时，大多数电机旋转运动与肌肉线性运动之间的巨大差异会导致并发症。
气动和液压缸系统消除了与电机相关的一些问题 [6]。总的来说，它们提供的力重比明显高于电机；这一优势本身通常会导致它们的使用，即使考虑到操作所需的控制阀和加压流体管路的复杂性和重量增加。这些执行器也产生线性运动，这使得它们更适合扮演相当于肌肉的作用。不幸的是，气缸更适合于“开关”操作；也就是说，从一个极端到另一个极端的运动，使用机械止动器来停止运动。平稳的步行运动需要更大的状态范围，并且大多数气压缸中存在的静摩擦使得即使是粗略的位置控制也很困难。流体压力装置仍然相当笨重；例如，CWRU 的 Robot III 机器人的重量中，近 75% 由其执行器和阀门组成 [7]。
编织气动执行器 (BPA) 比传统的致动器提供了一些优势，并且与生物肌肉共享一些重要的特性。这些设备由两个主要组件组成：一个充气囊，其周围包裹着可膨胀的纤维网格（图 1）。由此产生的执行器比标准气缸轻得多；然而，编织气动执行器实际上能够产生比其较重的对应物更大的力（因此具有更高的力重比）。当囊充满加压空气时，其体积往往会增加。由于网格纤维的长度恒定，这只能通过执行器径向膨胀同时沿轴向收缩来实现。结果是类似肌肉的收缩，产生类似于实际肌肉上升阶段的力长度曲线 [8]。
Figure 1: A placeholder
需要注意的是，BPA 在最大收缩时 (L/Lo≈0.69) 无法产生力；相反，当执行器完全伸展时，会产生最大的力。因此，与肌肉类似，这些执行器的力输出本质上是自限的。虽然电动机控制器可以想象得到会变得不稳定，并驱动系统直到结构或电机失效，但由不稳定控制器驱动的编织气动执行器不太可能被驱动到损坏自身或周围结构的程度。由于这种特性，编织气动执行器非常适合实现正载荷反馈，已知这种反馈被包括蟑螂、猫和人类在内的动物使用 [9]。
BPA 也被称为 McKibben 人工肌肉 [10]、气动肌肉和橡胶执行器。它们于 1957 年由 Gaylord 获得专利，并由 McKibben 用于矫形器械 [11]。与生物肌肉一样，BPA 只能拉动。这意味着它们必须以成对的方式使用，或者与其他拮抗物相对。这个属性对于这些器械的实际应用具有重要意义，因为它虽然需要在每个关节处使用两个执行器或一组执行器，但它允许肌肉样的共收缩特性，也称为刚度控制。如果考虑人体的一个关节，例如肘部或膝盖，很明显，无论关节处于什么位置，控制该关节的肌肉都可以被激活（弯曲）而不会改变关节角度。从工程学的角度来看，这是通过以使关节产生的净力矩为零的方式增加每块肌肉产生的力来实现的。因此，关节角度保持不变，但扰动，例如施加外力，会导致更少的扰动。从实际的角度来看，这意味着关节可以通过连续的位置和柔度独立地变化。由此产生的关节在需要时可以很硬，例如在行走时承重，或者很柔顺，例如在脚跟着地时可能需要对不平坦的地形进行补偿。
BPA 广泛应用的最大障碍是其疲劳寿命相对较短。在我们的预期运行条件下，这些器械能够以原始设计时的 10,000 次循环的寿命运行。费斯托公司对这些器械进行了重大改进，该公司最近推出了一款名为流体肌肉的新产品。它的工作原理与标准 BPA 相同，关键区别在于纤维网被浸渍在可膨胀的膀胱内部。由此产生的执行器在高压下经过验证的疲劳寿命达到 10,000,000 次循环。
3. 以前的机器人
克利夫兰州立大学开发的两个以前的机器人为 Robot V 的设计提供了重要的见解和动力。这两个基于蟑螂的机器人都是非自主的，依赖于板外控制器和电源进行操作。
Robot III 是克利夫兰州立大学制造的第一款气动驱动机器人，它依赖于传统的气动缸体进行驱动。这款 15 公斤的机器人功能强大，并且被证明能够轻松地举起相当于自身重量的有效载荷。这款机器人的基本缺陷在于气动缸体的控制固有的难度；尽管它能够稳定地保持姿势并以蟑螂的方式循环腿部，但迄今为止，这款机器人尚未展示出平滑的运动 [12]。
Robot IV 在运动学上与其前身相似，它在 Robot III 的气动缸体的位置上采用了编织气动执行器。这款机器人动力不足；它几乎无法举起自身，阀门为了行走实验而被移到了板外。然而，这款机器人更容易控制，这在很大程度上是因为阀门允许空气被困在执行器内部，从而可以改变关节的刚度以及关节的位置。使用开环控制器，这款机器人能够实现运动 [13]。
4. Robot V 的概述
设计案例西部储备大学最新的机器人 Robot V (Ajax) 与其前身 Robot IV 和 Robot III 一样，是基于 Blaberus discoidalis 死亡头蟑螂。尽管捕捉昆虫所展现的全部运动范围（每条腿最多 7 个自由度）是不可行的，但对运动过程中腿部运动的分析表明，这不是必需的。这是因为在许多情况下，关节仅表现出很小的运动范围，而腿部的大部分运动是由少数几个关节产生的。我们已经确定，后腿的三个关节、中腿的四个关节和前腿的五个关节足以产生合理且稳健的行走 [7] [14]。每组肢体中不同的 DOF 数代表每对腿的任务导向性。在昆虫身上，前腿相对较小且较弱，但非常灵活（图 2），因此能够有效地操纵物体或在崎岖的地形中导航。这种灵活性通过身体和股骨之间的三个关节在机器人中实现。这些关节被称为（从最靠近身体到最远端）：γ，其轴平行于中线和冠状面（z 方向）的交点；β，其轴平行于中线和横向面（y 方向）；以及 α，其轴平行于冠状面和横向面（x 方向）。其余两个关节位于股骨和股骨之间以及股骨和小腿之间。昆虫的中腿在支撑重量方面发挥着重要作用，并且对转弯和攀爬（起立）功能至关重要；然而，它们牺牲了一些灵活性来换取力量。在 Robot V 上，中腿只有两个自由度——α 和 β——位于身体和股骨之间，并且保留了股骨和小腿之间以及股骨和小腿之间的一个关节。最后，蟑螂主要使用后腿来运动，尽管这些肢体不像其他肢体那么灵活，但它们更大更强大；同样，机器人的后腿在每个节段之间只有一个关节。身体股骨关节仅使用 β 关节。尽管每条腿都有独特的设计，但它们都有一个共同的部件，即跗节或足部结构。它由连接在小腿末端的柔性元件和一对爪子组成。柔性元件能够弯曲以保持与地面的接触，从而提供牵引力。爪子在每条腿上以不同的角度进行设计，以帮助完成其特定的任务；例如，后腿上的爪子像脊椎一样向后倾斜，使脚在向前推进机器人时获得额外的牵引力。
图 2：前腿示意图，显示关节旋转轴
每个关节由两组相对的执行器驱动，允许在两个方向上进行受控运动（以前的机器人使用一组执行器与弹簧配对）[15]。每组执行器由两个双向阀驱动；一个用于进气，一个用于排气。这种方案使阀门的数量增加了一倍，因此重量也增加了一倍，与 Robot III 相比；但是，它允许实现刚度控制或共收缩。由于相反执行器中的压力可以独立变化，因此可以使用不同的执行器压力组合来实现相同的关节角度；唯一的要求是给定关节上的力矩在所需位置加起来为零。因此，可以通过对两组执行器加压来使关节变得非常硬，或者通过仅对一个执行器加压足以克服肢体质量特性以达到所需位置来使关节变得非常柔顺。
4.1 阀门
腿式机器人的执行器通常可以分为两类：用于使肢体穿过摆动阶段的执行器和用于保持姿势和产生运动的执行器。这两类执行器的基本区别之一是它们所需的负载。摆动执行器只需要提供克服肢体重量和惯性的力，而支撑执行器不仅必须支撑机器人的大部分重量，而且还必须提供产生运动所需的力。这种操作需求之间的差异可能导致大型、功能强大的支撑执行器和小型摆动执行器（如人体的功能强大的股四头肌用于保持姿势，而相对较弱的腘绳肌用于摆动）；然而，由于机器人执行器尺寸的选择有限，因此摆动执行器通常动力过剩，而支撑执行器要么动力不足，要么只能满足对它们的需要。在 Robot V 上，这个问题通过在一些关键的承重关节（特别是股骨和小腿之间以及 β 关节）处放置扭转弹簧来解决，以提供朝向姿势的方向偏差。因此，支撑执行器所需的力显着降低，而摆动执行器必须产生更大的力，但仍然保持在其操作范围之内。
4.2 姿势偏差
腿式机器人的执行器 onboard 通常可以分为两类：用于使肢体穿过摆动阶段的执行器和用于保持姿势和产生运动的执行器。这两类执行器的基本区别之一是它们所需的负载。摆动执行器只需要提供克服肢体重量和惯性的力，而支撑执行器不仅必须支撑机器人的大部分重量，而且还必须提供产生运动所需的力。这种操作需求之间的差异可能导致大型、功能强大的支撑执行器和小型摆动执行器（如人体的功能强大的股四头肌用于保持姿势，而相对较弱的腘绳肌用于摆动）；然而，由于机器人执行器尺寸的选择有限，因此摆动执行器通常动力过剩，而支撑执行器要么动力不足，要么只能满足对它们的需要。在 Robot V 上，这个问题通过在一些关键的承重关节（特别是股骨和小腿之间以及 β 关节）处放置扭转弹簧来解决，以提供朝向姿势的方向偏差。因此，支撑执行器所需的力显着降低，而摆动执行器必须产生更大的力，但仍然保持在其操作范围之内。
5. 初始试验
Robot V 与 Robot IV 一样，被设计为外骨骼，其中结构构件放置在执行器的外部和周围。这不仅使重量显着减轻，而且还为执行器提供了有限的保护，执行器容易被刺破和磨损（图 3）。绝大多数结构元件由 6061-T6 铝制成，尽管轴和执行器安装轴由 1018 钢制成，紧固件由不锈钢制成。所有关节轴均安装在尼龙轴承中。
Figure 3: Robot V (Ajax)
只要可能，执行器都直接安装到它们的插入点和原点。这避免了对肌腱的需求，从而允许使用尽可能长的执行器。这反过来最大化了每个关节可用的力和行程。这种策略的一个显著例外是 β 执行器，它们连接到肌腱上并平行于身体安装。这样做是为了降低机器人的整体高度。第一条腿是中腿。之所以选择它们进行初始测试，是因为它们必须灵活且有力，才能在三足步态中保持姿势。完成第一条腿后，测量了其每个关节的运动范围 (ROM) 并将其与设计值进行比较。这些数据总结如下
关节 ROM 预期 ROM β 20° 30° α 25 40 c-f (股骨和小腿之间) 40 50 f-t (股骨和小腿之间) 75 75
这些测试在 5.5 和 6.25 巴的压力下进行，两次测试结果没有显著差异，这表明在这些压力下，执行器已经达到完全收缩。虽然没有达到预期的运动范围 (ROM)，但测量的 ROM 超过了动物演示的 ROM。腿部演示的 ROM 被认为足以用于行走和攀爬。为了进行初步的站立和运动测试，搭建了一个龙门架来支撑中间腿部。仅使用水平支撑——以防止倾倒——腿部能够在支撑自身重量 (3 公斤) 加上执行器阀门重量 (0.5 公斤) 和龙门架元件重量 (1 公斤) 的情况下保持站立姿态，而无需执行器中的任何压缩空气。这种能力，是由于前面提到的站立偏差，清楚地证明了这些腿部不仅能够支撑机器人的重量，而且能够支撑相当大的有效载荷。然后使用开环控制器使腿部循环进行“俯卧撑”；从最小高度升至最大高度。通过这种方式，腿部能够将身体抬升约 6 厘米。重复此过程，并使用 6 巴空气在执行器阀门和龙门架重量之外增加 2.5 公斤和 5 公斤的额外有效载荷。在这两种情况下，腿部都能够达到相同的高度。
6. Ajax
机器人 V 完全组装——包括阀门——重量为 15 公斤。已对所有关节进行了运动范围测试，并总结如下。在许多情况下，特别是所有腿部的股骨-胫骨关节，这些运动范围超过了预期的 ROM。在所有情况下，它们都足以用于行走和攀爬。
关节 ROM 前腿 γ 35° β 45 α 25 c-f 40 f-t 75 中间腿 β 20 α 25 c-f 40 f-t 75 后腿 β 25 c-f 50 f-t 80
Ajax 由于扭力弹簧的预加载而表现出站立的倾向；即使执行器没有压力，中间和后腿
图 4：机器人 V 未激活执行器 (顶部) 和站立 (底部)。请注意，即使执行器未加压，它们仍保持接近站立的位置，只有脚接触地面。
腿部保持接近站立的位置。对机器人的初步测试表明，它能够在站立姿势下支撑自身重量，并且能够在无负载和负载 5 公斤的情况下实现站立姿态（图 4）。
进一步的测试表明，机器人能够实现三足站立并交替使用三足站立，这对行走至关重要。这些任务是使用简单的开环控制器实现的。此外，BPA 的被动特性在机器人能够在没有使用任何形式的主动姿势控制的情况下，在受到扰动后恢复到其预期位置的能力中得到了清晰地体现。使用绝对没有反馈的前馈控制器，机器人可以产生合理的向前运动。虽然这绝不是本项目最终目标的稳健、敏捷的行走，但这清楚地证明了机器人的能力以及 BPA 带来的优势。仅使用开环控制器移动的能力很大程度上是执行器被动特性的结果，这些特性为控制器本身的任何不稳定性提供补偿，并对扰动做出即时响应，而无需控制器的干预。
这与机器人 III 形成对比，即使有运动学和力反馈，机器人 III 也无法行走。机器人 III 的失败归因于气动缸和姿势控制器都无法处理与运动相关的突然负载变化。
简而言之，BPA 充当过滤器，对扰动做出即时响应；控制器无法完成的任务。这种相同的过程发生在生物肌肉中，生物肌肉对扰动几乎瞬时做出反应，但对神经输入的反应却很缓慢 [16]。随着未来生物启发闭环控制器的加入，Ajax 预计将展现出稳健的昆虫式运动。
7. 未来工作
虽然该机器人的机械方面已经完成，但控制系统仍处于起步阶段。由于系统的机械特性与其控制电路息息相关，因此 Ajax 的控制器有望从其设计与实际昆虫设计之间的密切关系中获益。这种关系在编织式气动执行器的肌肉样性质中最为突出。
将添加传感器以提供关节位置反馈和力反馈。关节角度可以通过电位计轻松确定，就像我们以前机器人中做的那样。力反馈将通过执行器压力测量获得，这些测量值在给定执行器长度的情况下，可用于确定执行器力。虽然将应变仪正确放置在执行器的安装元件上可以产生足够的力反馈，但以前的工作表明压力传感器固有的许多理想特性：它们具有更清晰的信号，不需要放大器，也不表现出串扰；这些都是应变仪的缺点。此外，应变仪必须安装在它们所记录的执行器正旁边；这需要在肢体的远端增加更多重量（从而增加了肢体的惯性矩），通常会减少可用的执行器行程。我们已经证明，位于执行器下游的压力传感器能够产生足够的信号来确定执行器力。
为机器人 III 开发了一个昆虫启发控制器，并将对其进行修改以供机器人 V 使用。这是一个分布式分层控制系统。从局部到中心的进程包括控制关节位置和刚度、腿间协调和反射、腿内步态协调和身体运动的电路。腿间协调电路解决了腿部的逆运动学问题，而集中式姿势控制系统解决了力分配问题。
进一步阅读
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- "仿生机器人 - 自己构建机器人气动肌肉执行器" 是一个解释气动肌肉是什么以及如何在家里构建一个的页面。
- 影子机器人公司：气动肌肉概述："气动肌肉通常使用 0-60psi (0-4 巴) 范围内的压缩空气操作。"
参考文献
[edit | edit source]- Delcomyn, F 神经生物学基础 W.H. Freedman and Company，纽约，1998 年。
- Raibert, M.H.，Hodgins, J.K.，腿式机器人，“无脊椎动物神经乙学和机器人中的生物神经网络”，编者：Beer, R.D.，Ritzmann, R.E. 和 McKenna, T. 1993 年。
- Espenschied, K.S.，Quinn, R.D.，Chiel, H.J.，Beer, R.D. (1996)。基于生物学的分布式控制和局部反射在六足机器人粗糙地形运动中的改进。机器人与自主系统，第 18 卷，第 59-64 页。
- Binnard, M.B. (1995) 小型气动步行机器人设计。麻省理工学院硕士论文。
- Davis S.T.，Caldwell D.G “使用气动肌肉执行器的仿生机器人灵长类动物设计” 第四届攀爬和步行机器人国际会议论文集 (CLAWAR 2002)，德国卡尔斯鲁厄，2001 年 9 月 24-26 日。
- Song, S.M.，Waldron, K.J.，行走的机器 麻省理工学院出版社，马萨诸塞州剑桥，1989 年。
- Bachmann, R.J. (2000) 用于奔跑和攀爬的蟑螂式六足机器人。凯斯西储大学硕士论文。
- Klute, G.K.，B. Hannaford，“气动 McKibben 人工肌肉执行器建模：方法和实验结果”，提交给美国机械工程师学会动态系统、测量和控制杂志，1998 年 11 月，1999 年 3 月修订。
- Prochazka, A.，Gillard, D. 和 Bennett, D.J.，“运动控制中正反馈的意义” 美国生理学会，1997 年。
- Nickel, V.L.，J. Perry 和 A.L. Garrett，“严重瘫痪的手功能的恢复”，《骨科和关节外科杂志》，第 45A 卷，第 5 期，第 933-952 页，1963 年。
- Caldwell, D.G，Medrano-Cerda, G.A. 和 Bowler C.J. “使用气动肌肉执行器的双足机器人运动研究”。 IEEE 机器人与自动化国际会议 (ICRA'97)，新墨西哥州阿尔伯克基。
- Nelson, G.M. (2002) 使用具有顺应性气动执行器的六足机器人学习关于腿部运动控制的知识。凯斯西储大学博士论文。
- Bachmann, R.J.，D.A. Kingsley, R.D.Quinn 和 R.E. Ritzmann，“带有人工肌肉的蟑螂机器人”，第五届攀爬和步行机器人国际会议论文集 (CLAWAR 2002)，巴黎，2002 年 9 月 25-27 日。
- Watson, J. T. 和 R. E. Ritzmann (1998)。蟑螂 Blaberus discoidalis 跑步时腿部运动学和肌肉活动：慢跑。J. Comp. Physiol. A 182: 11-22。
- Powers, A.C. (1996) 受生物启发的机器人设计和建造研究。加州大学伯克利分校硕士论文。
- Loeb, G.E.，Brown, I.E.，Cheng, E.J. (1998)。传感器运动控制模型的层次基础。Exp. Brain Res. 1999, 126: 1-18。