机器人实战篇:低成本双足机器人(切比雪夫联杆结构、静步行、动步行、ZMP点等概念)

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2020年11月24日 09时30分

引言

放假前看了一本书:09年坂本范行的《双足步行机器人DIY》,由于该书重点强调实践DIY,在此记录下部分有点启发、有点东西的知识:比如切比雪夫联杆结构、静步行动步行、ZMP点。也顺便记录下DIY过程中部分核心内容。

 

目录

目标对象

具体方法

一、切比雪夫联杆结构

二、转移重心

三、引申内容

(1)重心点的检验方法

(2)静步行

(3)动步行

其它

 


 

目标对象

模拟人的走路方式,最终要做到能够直行行走+转向。

 

首先对人的走姿先进行分析:

 

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目标是:低成本、简易的双足机器人。

 

具体方法

 

一、切比雪夫联杆结构

 

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一般可以堆砌多个转轴关节电机去控制一条“腿”的运动,然而由于我们的目标是低成本简易、可直行转向的双足机器人,不需要太灵活。因此可以使用一些巧妙的机械联杆结构,替代发挥不了太大作用的电机,在此可以使用切比雪夫联杆结构

 

该结构如下图所示:

 

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【生活中的联杆结构】

挖土机的铲子

 

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二、转移重心

由于重力因素,会造成上述结构难以发挥作用,机器人抬脚困难的问题,在此可以使用重心转移的方法解决。

 

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重心转移:顾名思义,只要能够转移重心即可,方法有好多。

 

1、可以使用加杠杆的方式,方法如下:

 

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2、也可以再加一个电机在头上,通过平移/旋转等方法转移重心:

 

微信图片_20201112234208微信图片_20201112234210

 

前行后退:左腿抬起时,重心往右腿压(如下左图)。右腿同理。

左右转弯:左腿抬起时,重心往左腿压(如下右图)。右腿同理。

 

微信图片_20201112234324微信图片_20201112234327

 

三、引申内容

 

(1)重心点的检验方法

在纸板上随意打两个洞,用线拴住其中一个洞,让纸板自然下垂,画出第一条垂线。第二个洞同理,两线交点即为重心。(悬挂法)

 

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然后再用一个夹子在底部支撑,如下图。

 

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发现:如果重心正下方(图中竖线)刚好位于支撑区的话,则纸板不倒。不在的话,就会倒。

 

(2)静步行

 

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步行时,该机器人重心的正下方有与地面相接触的脚(整个脚即支撑区),这种步行方式叫做静步行。

 

(3)动步行

与静步行之相反的是——重心的正下方即使没有着力点(支撑区)仍然能够步行的方式叫做动步行。

 

动步行是利用了重力惯性力的步行方式。其中,重力与惯性力合力方向与地面的交点被称之为目标ZMP。

 

在目标ZMP内,惯性力与重力的合力与地面反力相平衡。

(PS:地板反力是由地板摩擦力引起的,这是保证机器人不倒的很重要的力)

 

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如图(a),机器人重心开始向左移动,向右的惯性力虽然小,但足以把目标ZMP带到支撑区(即它的脚)内。

如图(b),机器人重心开始向左加速移动,向右的惯性力稍微变大,足以把目标ZMP带到支撑区内。

如图(c),机器人重心开始向左快速移动,向右的惯性力较大,足以把目标ZMP带到支撑区内。

 

其中(a)的重心下方在支撑区,(b)(c)的虽然不在支撑区,但由于目标ZMP在支撑区内,因此机器人不会倒下。

 

因此总结一下,动步行就是:重心的正下方即使没有在支撑区内,但目标ZMP在支撑区内,行走不会倒下的步行方式

其它

 

(1)当然,低成本的机器人往往有较大的局限性,例如难以有效率地爬坡、难以监控平衡、难以实时读取具体数据等问题,因此往往需要搭配微机+传感器等物品去制作机器人。

(2)另外,越是复杂的机器人对材料要求越高,可以使用——改变材料的形状从而增强材料的强度

 

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(3)步行动作不宜过快,否则遥控就很困难。即转矩不宜过大,否则遥控困难,也不宜过小,否则力气不够走不动。

 

降低电机中齿轮的的速度,即增大减速比(齿轮比),即增大齿轮间的齿轮数量差距。

 

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(4)我分享出了书籍的PDF版,在我的资源中,当然,百度一下也能搜到资源。

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