類人形機器人腿的構造與設計：腿的自由度提高了機器人的機動性

因為腿式機器人的發(fā)明是受到生物學上的啟發(fā)，所以檢驗一下生物學上成功的 有腿系統(tǒng)是有益的。許多不同的腿的構造已經(jīng)在各種各樣的生物體中成功地存在 (圖2.6)。大型動物，如哺乳動物和爬行動物有4條腿，而昆蟲有6條腿或更多。某 些哺乳動物，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)進展到 甚至可用單腿進行跳躍的水平①。這種異常的機動性是以很高代價得來的：為保持平 衡而使用更復雜的主動控制 。

相反，3條腿的動物假定它能保證其重心處在地面接觸的三腳區(qū)內，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動而 保持平衡。在沒有傾覆力時，稍微偏離穩(wěn)定(比如輕輕推凳子)會被動地予以校正而 趨向穩(wěn)定的姿態(tài)。 但是為了行走，機器人需要能夠抬腿。為了能達到靜態(tài)行走，機器人至少要有4 條腿，一次移動一個。而對于6條腿的情況，就有可能設計出一種步態(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。對它們來說，行走時的平衡問題比較簡單。哺 乳動物有4條腿，能夠靜態(tài)行走，然而由于重心高，會比爬行動物行走穩(wěn)定性要差。 例如，幼鹿在它們能行走之前要花幾分鐘來嘗試站走來，然后又要花好幾分鐘學習行 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 月才能站立和行走，甚至需要更長時間來學習跳躍、跑步和單腿站立。

在各單腿的復雜性中，也存在種類繁多的潛力。再者，生物世界提供了豐富的處 于兩個極端的例子。例如，毛蟲利用液壓，通過構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，然后刺激單個可拉伸的肌肉，牽引腿靠向身體。 各條腿只有1個自由度，它沿著腿縱向地定方向。前向運動依賴于體內的液壓，它能 伸張兩腿間的距離。所以，毛蟲的腿在機械上來看很簡單，即利用Z少數(shù)目的外表肌 肉，完成了復雜的整體運動。

在另一極端，連同腳趾的深層刺激，人腿有7個以上的主自由度，15個以上的肌 肉群，激勵8個復雜的關節(jié)。

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

總之，增加機器人腿的自由度提高了機器人的機動性，既擴大了機器人能行走的 地形范圍，又增強了機器人以各種步態(tài)行走的能力。當然，附加關節(jié)和激勵器的主要缺點是帶來動力、控制和質量方面的問題。附加的激勵器需要能量和控制，它們也把 質量加到腿上，從而進一步增加了對現(xiàn)有激勵器的功率和負載的要求。

對于多腿移動機器人，存在運動時腿的協(xié)調或步態(tài)控制問題�？赡艿牟綉B(tài)數(shù)目 依賴于腿的數(shù)目[52]。對單條腿而言，步態(tài)是抬起與放下事件的序列。對一個有 k 條 腿的移動機器人，步行機器可能事件的總數(shù)N 為

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

對于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個不同事件序列如下(它們也可以被組合成更為復雜的序列):

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。