仿人双足行走机器人

在机器人工程领域，有两种主要的方法来观察机器人如何行走。要么机器人在运动的每一刻都必须保持准静态稳定，要么它可以像人类一样以更动态的方式行走，如果它在一步走到一半的时候停下来，它就会摔倒。真正的技巧一直是保持一个动态行走的机器人直立。

A&M大学双足机器人实验实验室(AMBER)的助理教授Aaron Ames博士带领一组学生设计、模拟和制造一种像人类一样行走的机器人。AMBER 2号是一个重要的项目。制造类似人类的双足行走机器人将使机器人技术超越玩具或新奇事物，进入高水平应用领域，包括空间探索、灾难应对、军事行动、老年人援助、康复和假肢。

今天制造的大多数机器人使用的是所谓的准静态运动方法，或ZMP(零力矩点)行走技术。这种类型的操作本质上意味着在水平方向上没有(或零)力矩(惯性)存在于脚着地的“点”。如果机器人在步幅中间停下来，它将继续站立。这可不是人类走路的方式。如果我们走到半路被拦住，我们会摔倒的。德克萨斯A&M大学的研究小组发现，通过使用基于电压的控制器，他们的行走方式可以在本质上更加动态，因为反馈可以更容易地融入到设计中。

根据AMES博士的说法，“克服的第一个目标是如何在数学上模范这样一个高度动态的系统，然后如何制造控制器和其他硬件来完成你想要的东西。类似于我们选择与我们的第一个机器人有关，我们决定从头开始创建我们的下一代琥珀色的2机器人。该过程包括使用SolidWorks渲染的初始CAD设计，通过使用Wolfram MathmaticA的数学分析，使用MathWorks的Matlab进行仿真和控制器设计，最后使用国家仪器的LabVIEW进行最终设计的上层控制。“

设计中的一切都必须经过彻底的思考，用电脑分析，然后再订购。“我们无法控制我们的任何数据，”亚伦说，“特别是在机械腿的机械操作方面。”该团队发现，他们需要使用电机和齿轮头，能够提供8到12牛顿米的扭矩，速度降低到5到6弧度每秒。“在如此低的速度下，我们特别担心齿轮问题会影响平稳运行，”Aaron说。

这个团队决定在最终的机器人设计中使用马克森马达。他说:“我们发现的一个重要因素是，马克森的电机规格表是准确的(不是所有的规格表都是准确的)，这意味着我们知道我们从马克森订购时，我们得到的是什么。”AMBER 2机器人每条腿有三个马达和三个直角齿轮头，每个关节-脚踝、膝盖和臀部各有一个。起初，团队使用的是马克森电机和另一家供应商的直角齿轮头，但由于电机到齿轮头的扭矩过高，以及由于组件之间的错位和/或松散连接而产生的固有振动，接头很快就失效了。根据艾姆斯博士的说法，“我们发现我们需要一个单一的、无缝的封装(见侧栏)，这使我们能够保持关节机制的最严格的公差。”当机器人的脚触地时，电机不得不在冲击下反转，这对电机产生了巨大的扭矩。

AMBER 2使用马克森的无刷电机的高性能。电机是电子换向的，这使得他们提供非常长的电机寿命-没有机械刷磨损。霍尔效应传感器安装在每个电机内，以便向控制电子器件提供反馈。通过将电机的线圈安装在转子外，获得了良好的散热和高过载能力。每个电机都有一个不锈钢外壳。根据客户的需求和选择，型号在直径和长度上有所不同——通常从16到40毫米(0.63到1.57英寸)的直径和24到88毫米(0.94到3.46英寸)的长度。环境温度范围为-40O ~ 100OC (-40O ~ 212OF)。

Maxon电机使用高能钕磁铁，这导致非常灵敏的机械时间常数低至5毫秒，同时最小化整体尺寸。使用电子换向可以使电噪声最小。电机提供了几个不同的绕组，以优化所需的速度与可用的电压。各种配件，如齿轮头，编码器，刹车，和控制电子可补充电机。

由于一些或一些原因，直角关节使机器人在一个更自然的状态下操作。“我们发现，如果我们直接将电机放在关节上，就会遇到一些奇怪的质量分布问题，而使用来自maxon的直角电机/齿轮头组件，我们没有看到这种情况发生。此外，这种组装有助于为机器人自身找到合适的重心。”

通过适当的连接组件，组件以一种非常可预测的方式运行，这在创建控制界面时是非常重要的。“你想让所有东西都按照数学和控制软件的指令移动，”亚伦说。该组件允许高扭矩电机在低速下平稳运行。该团队安装了更大的链轮，并为每个接头安装了链条。他们的想法是，这个链条将成为最薄弱的环节，就像肌腱一样，而且替换它的成本更低。

该团队正致力于超越轮式机器人的能力，通过集中收集的数据表明，人类的行走行为反映了质量-弹簧阻尼系统，这是最简单的机械系统之一。他们现在正通过使用电动机和齿轮头的组合以及专利电子设备来复制该系统。这意味着AMBER 2机器人将成为世界上最早的动态行走机器人之一。

maxon Spiroid®齿轮设计允许每个直角齿轮头在最小的空间内实现最大的扭矩。不仅是齿轮头可安装在各种maxon马达和齿轮，它提供了几个版本，包括回驱动(4:1比)和非回驱动(31:1比)，两者都具有低齿隙。

该装置结构紧凑、重量轻，具有极高的扭矩、高刚度/低挠度、大加载、操作安静，并具有可通过编码器安装选项实现的绝对输出轴位置，这对AMBER 2很重要。这些齿轮头可以直接安装在有刷或无刷电机上，或堆叠在该公司的不同比率的行星齿轮头。