機器人關節結構？

題目范圍廣，我們從人形/仿人機器人入手，從運動關節、施工過程、減速器等方面來看整個機構的研究和應用。

過去，機器人只是簡單地模擬人或機器的動作。現在，仿人機器人的運動步態包括步行、跳躍、踢足球、上下樓梯：

所有這些實現都離不開機器人的關節結構設計和制造，即全機構。仿人機器人主要由機械、控制和傳感三部分組成，其中機械部分就像高層建筑的基礎，是其他部分的重要基礎。

根據系統分類，機械部分包括兩個子系統：驅動系統和機械系統。機械部分可分為頭部、胸部、手臂、手、腿和腳。

作為機械部件的關鍵點之一，整個機構類型與關節的數量和布局密切相關。一般來說，成年人有206塊骨頭和78個大關節，而模擬人類關節和骨架構的模擬機器人通常有15-70個關節。

雖然整個機構很少被提及，但它對仿人機器人具有重要意義 ▽

慕尼黑工業大學LOLA機器人比較了大腿和小腿的各種結構，較終從中選擇較好的。其目的是改變機器人的運動性能。

2. 減輕機器人重量和腿部旋轉慣量有助于提高機器人的運動性能：

俄勒岡州立大學Digit機器人將膝蓋伺服驅動器向大腿移動，踝關節伺服驅動器向小腿移動，減少腿部旋轉慣性，顯著提高步行速度。

3. 增加腿部彈性機構可以減少機器人的行走沖擊和儲能：

Digit同時增加彈性元件，提高機器人的運動能力和安全性。

機器人運動關節的特點

Walker它的出現是實現讓機器人進入千家萬戶目標的堅實一步。作為智能助手TA它可以幫助或取代人類完成簡單重復的服務。因此，在設計機器人關節時，我們首先要看人類關節和肌肉是如何工作的。

人類關節運動的特點之一是運行速度快，機動性好，腳焦點分散，高速碰撞。如何滿足這種關節運動的特點？這需要在關節設計中實現瞬時高功率輸出、高能利用效率和瞬時沖擊。

因此，彈性驅動器的概念被提出，它的基礎來源于Hill三元素肌模型主要由三部分組成：CE收縮單元、SE串聯單元、PE并列單元有兩種組合形式：PS肌肉模型、SP肌肉模型。

當兩種模型轉換為機器人應用驅動器時，可以產生多種形式(如上圖右):

(a)它是一種傳統的剛性驅動器，可以理解為電機 減速器 編碼器；(b)是傳統的驅動器 彈性單元，然后連接負載構成SEA串聯驅動；(c)彈性單元并聯于傳統驅動器之外，即PEA；(d)在SE在此基礎上增加離合器clutch，可控制彈性單元；(e)(f)是上述三種組合形式之一。

整個機構類型的施工過程

對于Walker在整個機構類型的施工過程中，首先定義每個關節的扭矩要求、角度要求、尺寸規格等，然后根據需要選擇電機、減速器、編碼器等。整個驅動方案完成后，設計模擬機器人的結構，將機器人的三維模型放入模擬平臺進行。經過幾輪迭代，得到了優化的設計。

標準化制定減速器

說到減速器，不得不說，由于仿人機器人的運動特點，舵機主要在低速高扭矩場景中工作，高速低扭矩特性的電機不能滿足直接使用的需要，只能通過減速器降低速度，提高扭矩。

仿人機器人常用的減速器主要有三類。由于機器人對控制精度要求高，回差是機器人精密減速器的關鍵性能指標之一。

伺服驅動類型

看看仿人機器人常用的伺服驅動器類型比較：

目前，傳統驅動技術相對成熟，廣泛應用于多個領域；彈性驅動主要集中在大學和研究所；本體驅動主要用于四腳機器人或小型雙腳機器人。

Walker大型伺服舵機集成了高密度無框扭矩電機、雙位置編碼器、諧波減速器和高性能處理控制器，硬件設計采用多重安全監控和故障保護機制，軟件采用增強伺服控制算法，為靈活運動提供了堅實的基礎。

不難想象，仿人機器人的機械結構將在未來得到快速發展和廣泛應用。在整個機構類型的未來發展趨勢中，一是伺服驅動和整個機構類型的集成設計、機電和運動控制的聯合模擬，實現機器人的較佳設計；二是引入彈性元件，為電動驅動伺服驅動提供輔助扭矩，緩沖地面沖擊；三是仿生應用，我們知道許多仿生機器人設計是模擬人或動物背后的原理，這些動物和人體骨骼肌肉的研究將助推機器人機械技術的發展。

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