一个三维双腿双膝关节被动式动态行走机器人

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1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：一个三维双腿双膝被动动态行走机器人StevenH.Collins1MartijnWisse2AndyRuina3（1.康奈尔大学机械和航空航天工程美国伊萨卡岛,纽约14853shc17@cornell.edu；2.代尔夫特理工大学人机系统和控制Mekelweg2,nl-2628CD代尔夫特,荷兰m.wisse@wbmt.tudelft.nl；3.康奈尔大学理论与应用力学机械和航空航天工程美国伊萨卡岛,纽约1485

2、3ruina@cornell.edu）C17重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文摘要作者开发了第一个三维的、有膝关节的双腿被动动态行走机械。自从20世纪80年代末TadMcGeer做了一些工作后，被动动力学的概念就已经植入到了动物的运动和拟人化机器人的设计之中。能够体现出仿人类行走的高效率的各种各样的分析和机械都已经开始应用这种方式进行开发。然而，仿人类的被动机械只能在两个自由度上进行操作(即在前后方向上或矢状平面上)。主要以玩具为主的三维被动行走装置，并没有类似人类的运动，而是用僵硬的腿

3、蹒跚行走。在目前的三维装置中，作者保留了McGeer的二维模型的特征，包括机械结构的简单化，类似人类的膝盖弯曲和从缓坡向下行走时的受到的被动重力驱动。然后，研究人员加上了专门的曲线足、柔性的脚后跟、机械控制的胳膊以实现协调稳定的步态。这个装置有85厘米高。它重4.8公斤，可以沿着3.1度的斜坡以0.51m/s的速度行走，消耗功率为1.3W。这个机器人进一步诠释了人类行走中的被动动力学，可能有助于弄清楚具有类似人类的运动的简单高效的机器人的运动方式。关键词：双足，被动动力学，McGeer，机器人，拟人化

4、，三维C17重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文1简介通过描述动物或人类各个部位即时的位置来对它进行定位是很自然的一种想法。从19世纪的发条玩具到著名的本田类人机器人，开发自动行走机械最常见的方法是控制关节的转角来模仿动物或人的动作。这种机器人学的轨迹控制方法被称为“运动痴迷”(R.Q.vanderLinde，个人通信，1999)，它的负面后果就是运动很僵硬。当执行器开启的时候，受到马达和减速器，或者它们的液压替代机构的拖累，关节运动变得低效；当执行机构关闭的时候，关节运动几乎不可能运动。

5、从轨迹控制角度来看，通过整合“欠驱动”、“阻抗控制”和“平衡点”控制等思想，机器人学已经更加变成了一种流体和动力学观点。尽管如此，许多现代机器人轨迹控制的核心还是采用运动学的方法(即位移控制)。本田类人机器人是其中最为人所熟知的和最成功的，它表明这种方法改进后可以产生流畅的、多样的运动(Hiraietal，1998年)。然而,本田类人机器人移动起来不是十分像人那样，而且它能量利用率低。例如,130公斤的本田P3采用非摆动的方式运动，行走期间消耗功率大约2千瓦（本田2000），这超过同等体积的行走的人类

6、肌肉工作率的20倍。高能耗的一个原因是因为摩擦，但是很大一部分是轨迹控制所采取的方法的缘故，尤其是当轨迹主要局限于一系列静态平衡姿势。控制器背离了位置控制方法，它能够使关节转矩流畅变化，允许使用动力学方式控制运动的细节。例如，JerryPratt的双自由度行走机器人SpringFlamingo，就是一个极好的背离运动控制的范例。虽然SpringFlamingo的驱动是通过计算机控制的，但是它的齿轮减速马达使用灵活快速的力反馈来控制转拒而不是控制关节转角。这种转矩控制方法允许系统的自然动态产生流体一样的

7、运动（J.PrattandG.Pratt1999；J.Pratt2000）。模仿动物和人类运动的另一种不同的方法青睐于减少驱动和控制系统。这种演化可能更加关注中枢系统的高效率和低要求。关于这个概念的一个测试就是看看一个只有少量驱动机构而且没有控制系统C17重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文的机器人运行的有多好。显然，人和动物有一些驱动和控制机构，功能机器人也是这样的。我们评估控制的必要性的方法是看一下没有了控制系统什么可以实现什么功能。这种开放控制的机器人设计方法有其根源，根源不是复杂的

8、路径跟踪机器人，而是儿童玩具。1.1斜坡行走玩具简单的双腿斜坡行走玩具已经存在了至少一个世纪(Bechstein1912；Fallis1888；Mahon1914；Wilson1938)。这种被动的玩具(如图1)不应与有发条或电动马达的运动玩具混淆。这些玩具的一些版本，都有四条腿或者两条腿和辅助轮，在一些玩具店大约一美元就可以买到，但是实际上两条腿的版本只能被当做古董。这些两足“斜坡步行者”可以沿着缓坡行走或者由绳子牵引，它们以一种平稳的、被动的三维的步