機器人/元件/致動器/氣動肌肉
多年來，完全自主、任務能力的腿式機器人一直是機器人學家的聖盃。此類機器的開發受到致動器和動力技術以及控制方案的阻礙，這些技術無法與自然界中即使是最“簡單”的系統相提並論。
面對如此艱鉅的任務，越來越多的研究人員開始向生物機制尋求靈感，也就不足為奇了。
生物學為機器人設計提供了豐富的靈感。數百萬種動物已經進化出高效的運動和運動控制解決方案。
特別是昆蟲，不僅以其速度和敏捷性而聞名，而且還以其穿越一些最難以想象的地形的能力而聞名；昆蟲可以在岩石地面上行走，倒立行走，攀爬垂直表面，甚至在水上行走。此外，昆蟲幾乎可以立即對腿部受傷或移除做出反應，透過改變姿態和步態來維持高效的運動，即使腿部減少了 [1]。考慮到自主性的最終目標，這種重新配置運動策略的能力對於自主機器人的魯棒性至關重要 [2]。
當然，還有其他能夠產生運動的機制，最值得注意的是輪子和履帶。雖然這些裝置的設計和實現無疑容易得多，但它們也具有一些缺點，阻礙了它們在軍事或探險應用中的使用。這些限制中的首要限制是，輪子和履帶在一定程度上不能穿越腿式車輛能夠機動穿越的幾乎一樣複雜的地形 [2]。即使是專門為惡劣地形設計的輪式和履帶式車輛也不能越過比車輛本身短得多的障礙物；另一方面，腿式車輛可以預期攀爬高達其自身高度兩倍的障礙物，就像一隻蟑螂一樣。僅此一項移動性限制就意味著，在任何沒有相當平坦、連續地形的環境中，步行車輛遠比輪式或履帶式車輛更可取。腿式車輛也天生比那些依賴輪子或履帶的車輛更穩健。六足機器人失去一條腿只會導致機動性略微下降；對於輪式車輛來說，車輪損壞可能意味著移動性的終結，而履帶損壞幾乎總是導致災難性的故障。最後，腿式車輛比輪式車輛更能夠在間歇性基板上（例如，板條表面）上導航 [3]。
鑑於前面關於在某些環境中使用腿式運動的論點，人們面臨著一項艱鉅的任務，即實際設計出一款高效的腿式機器人。雖然這樣的任務至少可以說是困難的，但大自然已經為我們（從字面上）提供了一個充滿模板的世界。可以找到能夠在幾乎任何表面上導航的動物，工程師越來越多地從這些自然運動問題的解決方案中汲取靈感。
2. 執行器選擇 執行器選擇在任何移動機器人設計中都起著舉足輕重的作用，因為執行器的形狀、尺寸、重量和強度都必須考慮在內，並且執行器的電源通常對機器人的潛在能力構成最大限制。執行器像機器人的肌肉和關節一樣執行，以實現運動。
生物體比機械系統具有很大的優勢，因為肌肉（自然選擇的執行器）具有良好的力重比，並且需要較低的啟用能量。它們可調的被動剛度特性也非常適合節能的腿式運動。最常用的執行器，電機和氣動/液壓缸，遠不如其生物對應物。
電機可能是現代機器人技術中最常用的致動和控制裝置，而且有充分的理由。各種尺寸的電機都可以輕鬆獲得，並且非常容易控制。這些裝置也相當容易實現，通常只需要幾個電氣連線。但是，電機有一些缺點。最重要的是，它們的力重比遠低於氣動和液壓裝置，在腿式機器人等領域，重量至關重要，這使得它們不適合許多應用。通常，電機系統的功率重量比為 50-100 W/kg（僅包括電機和減速器，在額定功率下執行），而流體系統產生 100-200 W/kg（包括執行器和閥門重量）[4]，而生物肌肉，其特性差異很大，產生 40-250 W/kg [5]。此外，當試圖利用動物的有效生物力學設計時，大多數電機旋轉運動與肌肉線性運動之間的巨大差異會導致併發症。
氣動和液壓缸系統消除了與電機相關的一些問題 [6]。總的來說，它們提供的力重比明顯高於電機；這一優勢本身通常會導致它們的使用，即使考慮到操作所需的控制閥和加壓流體管路的複雜性和重量增加。這些執行器也產生線性運動，這使得它們更適合扮演相當於肌肉的作用。不幸的是，氣缸更適合於“開關”操作；也就是說，從一個極端到另一個極端的運動，使用機械止動器來停止運動。平穩的步行運動需要更大的狀態範圍，並且大多數氣壓缸中存在的靜摩擦使得即使是粗略的位置控制也很困難。流體壓力裝置仍然相當笨重；例如，CWRU 的 Robot III 機器人的重量中，近 75% 由其執行器和閥門組成 [7]。
編織氣動執行器 (BPA) 比傳統的致動器提供了一些優勢，並且與生物肌肉共享一些重要的特性。這些裝置由兩個主要元件組成：一個充氣囊，其周圍包裹著可膨脹的纖維網格（圖 1）。由此產生的執行器比標準氣缸輕得多；然而，編織氣動執行器實際上能夠產生比其較重的對應物更大的力（因此具有更高的力重比）。當囊充滿加壓空氣時，其體積往往會增加。由於網格纖維的長度恆定，這隻能透過執行器徑向膨脹同時沿軸向收縮來實現。結果是類似肌肉的收縮，產生類似於實際肌肉上升階段的力長度曲線 [8]。
Figure 1: A placeholder
需要注意的是，BPA 在最大收縮時 (L/Lo≈0.69) 無法產生力；相反，當執行器完全伸展時，會產生最大的力。因此，與肌肉類似，這些執行器的力輸出本質上是自限的。雖然電動機控制器可以想象得到會變得不穩定，並驅動系統直到結構或電機失效，但由不穩定控制器驅動的編織氣動執行器不太可能被驅動到損壞自身或周圍結構的程度。由於這種特性，編織氣動執行器非常適合實現正載荷反饋，已知這種反饋被包括蟑螂、貓和人類在內的動物使用 [9]。
BPA 也被稱為 McKibben 人工肌肉 [10]、氣動肌肉和橡膠執行器。它們於 1957 年由 Gaylord 獲得專利，並由 McKibben 用於矯形器械 [11]。與生物肌肉一樣，BPA 只能拉動。這意味著它們必須以成對的方式使用，或者與其他拮抗物相對。這個屬性對於這些器械的實際應用具有重要意義，因為它雖然需要在每個關節處使用兩個執行器或一組執行器，但它允許肌肉樣的共收縮特性，也稱為剛度控制。如果考慮人體的一個關節，例如肘部或膝蓋，很明顯，無論關節處於什麼位置，控制該關節的肌肉都可以被啟用（彎曲）而不會改變關節角度。從工程學的角度來看，這是透過以使關節產生的淨力矩為零的方式增加每塊肌肉產生的力來實現的。因此，關節角度保持不變，但擾動，例如施加外力，會導致更少的擾動。從實際的角度來看，這意味著關節可以透過連續的位置和柔度獨立地變化。由此產生的關節在需要時可以很硬，例如在行走時承重，或者很柔順，例如在腳跟著地時可能需要對不平坦的地形進行補償。
BPA 廣泛應用的最大障礙是其疲勞壽命相對較短。在我們的預期執行條件下，這些器械能夠以原始設計時的 10,000 次迴圈的壽命執行。費斯托公司對這些器械進行了重大改進，該公司最近推出了一款名為流體肌肉的新產品。它的工作原理與標準 BPA 相同，關鍵區別在於纖維網被浸漬在可膨脹的膀胱內部。由此產生的執行器在高壓下經過驗證的疲勞壽命達到 10,000,000 次迴圈。
3. 以前的機器人
克利夫蘭州立大學開發的兩個以前的機器人為 Robot V 的設計提供了重要的見解和動力。這兩個基於蟑螂的機器人都是非自主的，依賴於板外控制器和電源進行操作。
Robot III 是克利夫蘭州立大學制造的第一款氣動驅動機器人，它依賴於傳統的氣動缸體進行驅動。這款 15 公斤的機器人功能強大，並且被證明能夠輕鬆地舉起相當於自身重量的有效載荷。這款機器人的基本缺陷在於氣動缸體的控制固有的難度；儘管它能夠穩定地保持姿勢並以蟑螂的方式迴圈腿部，但迄今為止，這款機器人尚未展示出平滑的運動 [12]。
Robot IV 在運動學上與其前身相似，它在 Robot III 的氣動缸體的位置上採用了編織氣動執行器。這款機器人動力不足；它幾乎無法舉起自身，閥門為了行走實驗而被移到了板外。然而，這款機器人更容易控制，這在很大程度上是因為閥門允許空氣被困在執行器內部，從而可以改變關節的剛度以及關節的位置。使用開環控制器，這款機器人能夠實現運動 [13]。
4. Robot V 的概述
設計案例西部儲備大學最新的機器人 Robot V (Ajax) 與其前身 Robot IV 和 Robot III 一樣，是基於 Blaberus discoidalis 死亡頭蟑螂。儘管捕捉昆蟲所展現的全部運動範圍（每條腿最多 7 個自由度）是不可行的，但對運動過程中腿部運動的分析表明，這不是必需的。這是因為在許多情況下，關節僅表現出很小的運動範圍，而腿部的大部分運動是由少數幾個關節產生的。我們已經確定，後腿的三個關節、中腿的四個關節和前腿的五個關節足以產生合理且穩健的行走 [7] [14]。每組肢體中不同的 DOF 數代表每對腿的任務導向性。在昆蟲身上，前腿相對較小且較弱，但非常靈活（圖 2），因此能夠有效地操縱物體或在崎嶇的地形中導航。這種靈活性透過身體和股骨之間的三個關節在機器人中實現。這些關節被稱為（從最靠近身體到最遠端）：γ，其軸平行於中線和冠狀面（z 方向）的交點；β，其軸平行於中線和橫向面（y 方向）；以及 α，其軸平行於冠狀面和橫向面（x 方向）。其餘兩個關節位於股骨和股骨之間以及股骨和小腿之間。昆蟲的中腿在支撐重量方面發揮著重要作用，並且對轉彎和攀爬（起立）功能至關重要；然而，它們犧牲了一些靈活性來換取力量。在 Robot V 上，中腿只有兩個自由度——α 和 β——位於身體和股骨之間，並且保留了股骨和小腿之間以及股骨和小腿之間的一個關節。最後，蟑螂主要使用後腿來運動，儘管這些肢體不像其他肢體那麼靈活，但它們更大更強大；同樣，機器人的後腿在每個節段之間只有一個關節。身體股骨關節僅使用 β 關節。儘管每條腿都有獨特的設計，但它們都有一個共同的部件，即跗節或足部結構。它由連線在小腿末端的柔性元件和一對爪子組成。柔性元件能夠彎曲以保持與地面的接觸，從而提供牽引力。爪子在每條腿上以不同的角度進行設計，以幫助完成其特定的任務；例如，後腿上的爪子像脊椎一樣向後傾斜，使腳在向前推進機器人時獲得額外的牽引力。
圖 2：前腿示意圖，顯示關節旋轉軸
每個關節由兩組相對的執行器驅動，允許在兩個方向上進行受控運動（以前的機器人使用一組執行器與彈簧配對）[15]。每組執行器由兩個雙向閥驅動；一個用於進氣，一個用於排氣。這種方案使閥門的數量增加了一倍，因此重量也增加了一倍，與 Robot III 相比；但是，它允許實現剛度控制或共收縮。由於相反執行器中的壓力可以獨立變化，因此可以使用不同的執行器壓力組合來實現相同的關節角度；唯一的要求是給定關節上的力矩在所需位置加起來為零。因此，可以透過對兩組執行器加壓來使關節變得非常硬，或者透過僅對一個執行器加壓足以克服肢體質量特性以達到所需位置來使關節變得非常柔順。
4.1 閥門
腿式機器人的執行器通常可以分為兩類：用於使肢體穿過擺動階段的執行器和用於保持姿勢和產生運動的執行器。這兩類執行器的基本區別之一是它們所需的負載。擺動執行器只需要提供克服肢體重量和慣性的力，而支撐執行器不僅必須支撐機器人的大部分重量，而且還必須提供產生運動所需的力。這種操作需求之間的差異可能導致大型、功能強大的支撐執行器和小型擺動執行器（如人體的功能強大的股四頭肌用於保持姿勢，而相對較弱的膕繩肌用於擺動）；然而，由於機器人執行器尺寸的選擇有限，因此擺動執行器通常動力過剩，而支撐執行器要麼動力不足，要麼只能滿足對它們的需要。在 Robot V 上，這個問題透過在一些關鍵的承重關節（特別是股骨和小腿之間以及 β 關節）處放置扭轉彈簧來解決，以提供朝向姿勢的方向偏差。因此，支撐執行器所需的力顯著降低，而擺動執行器必須產生更大的力，但仍然保持在其操作範圍之內。
4.2 姿勢偏差
腿式機器人的執行器 onboard 通常可以分為兩類：用於使肢體穿過擺動階段的執行器和用於保持姿勢和產生運動的執行器。這兩類執行器的基本區別之一是它們所需的負載。擺動執行器只需要提供克服肢體重量和慣性的力，而支撐執行器不僅必須支撐機器人的大部分重量，而且還必須提供產生運動所需的力。這種操作需求之間的差異可能導致大型、功能強大的支撐執行器和小型擺動執行器（如人體的功能強大的股四頭肌用於保持姿勢，而相對較弱的膕繩肌用於擺動）；然而，由於機器人執行器尺寸的選擇有限，因此擺動執行器通常動力過剩，而支撐執行器要麼動力不足，要麼只能滿足對它們的需要。在 Robot V 上，這個問題透過在一些關鍵的承重關節（特別是股骨和小腿之間以及 β 關節）處放置扭轉彈簧來解決，以提供朝向姿勢的方向偏差。因此，支撐執行器所需的力顯著降低，而擺動執行器必須產生更大的力，但仍然保持在其操作範圍之內。
5. 初始試驗
Robot V 與 Robot IV 一樣，被設計為外骨骼，其中結構構件放置在執行器的外部和周圍。這不僅使重量顯著減輕，而且還為執行器提供了有限的保護，執行器容易被刺破和磨損（圖 3）。絕大多數結構元件由 6061-T6 鋁製成，儘管軸和執行器安裝軸由 1018 鋼製成，緊韌體由不鏽鋼製成。所有關節軸均安裝在尼龍軸承中。
Figure 3: Robot V (Ajax)
只要可能，執行器都直接安裝到它們的插入點和原點。這避免了對肌腱的需求，從而允許使用盡可能長的執行器。這反過來最大化了每個關節可用的力和行程。這種策略的一個顯著例外是 β 執行器，它們連線到肌腱上並平行於身體安裝。這樣做是為了降低機器人的整體高度。第一條腿是中腿。之所以選擇它們進行初始測試，是因為它們必須靈活且有力，才能在三足步態中保持姿勢。完成第一條腿後，測量了其每個關節的運動範圍 (ROM) 並將其與設計值進行比較。這些資料總結如下
關節 ROM 預期 ROM β 20° 30° α 25 40 c-f (股骨和小腿之間) 40 50 f-t (股骨和小腿之間) 75 75
這些測試在 5.5 和 6.25 巴的壓力下進行，兩次測試結果沒有顯著差異，這表明在這些壓力下，執行器已經達到完全收縮。雖然沒有達到預期的運動範圍 (ROM)，但測量的 ROM 超過了動物演示的 ROM。腿部演示的 ROM 被認為足以用於行走和攀爬。為了進行初步的站立和運動測試，搭建了一個龍門架來支撐中間腿部。僅使用水平支撐——以防止傾倒——腿部能夠在支撐自身重量 (3 公斤) 加上執行器閥門重量 (0.5 公斤) 和龍門架元件重量 (1 公斤) 的情況下保持站立姿態，而無需執行器中的任何壓縮空氣。這種能力，是由於前面提到的站立偏差，清楚地證明了這些腿部不僅能夠支撐機器人的重量，而且能夠支撐相當大的有效載荷。然後使用開環控制器使腿部迴圈進行“俯臥撐”；從最小高度升至最大高度。透過這種方式，腿部能夠將身體抬升約 6 釐米。重複此過程，並使用 6 巴空氣在執行器閥門和龍門架重量之外增加 2.5 公斤和 5 公斤的額外有效載荷。在這兩種情況下，腿部都能夠達到相同的高度。
6. Ajax
機器人 V 完全組裝——包括閥門——重量為 15 公斤。已對所有關節進行了運動範圍測試，並總結如下。在許多情況下，特別是所有腿部的股骨-脛骨關節，這些運動範圍超過了預期的 ROM。在所有情況下，它們都足以用於行走和攀爬。
關節 ROM 前腿 γ 35° β 45 α 25 c-f 40 f-t 75 中間腿 β 20 α 25 c-f 40 f-t 75 後腿 β 25 c-f 50 f-t 80
Ajax 由於扭力彈簧的預載入而表現出站立的傾向；即使執行器沒有壓力，中間和後腿
圖 4：機器人 V 未啟用執行器 (頂部) 和站立 (底部)。請注意，即使執行器未加壓，它們仍保持接近站立的位置，只有腳接觸地面。
腿部保持接近站立的位置。對機器人的初步測試表明，它能夠在站立姿勢下支撐自身重量，並且能夠在無負載和負載 5 公斤的情況下實現站立姿態（圖 4）。
進一步的測試表明，機器人能夠實現三足站立並交替使用三足站立，這對行走至關重要。這些任務是使用簡單的開環控制器實現的。此外，BPA 的被動特性在機器人能夠在沒有使用任何形式的主動姿勢控制的情況下，在受到擾動後恢復到其預期位置的能力中得到了清晰地體現。使用絕對沒有反饋的前饋控制器，機器人可以產生合理的向前運動。雖然這絕不是本專案最終目標的穩健、敏捷的行走，但這清楚地證明了機器人的能力以及 BPA 帶來的優勢。僅使用開環控制器移動的能力很大程度上是執行器被動特性的結果，這些特性為控制器本身的任何不穩定性提供補償，並對擾動做出即時響應，而無需控制器的干預。
這與機器人 III 形成對比，即使有運動學和力反饋，機器人 III 也無法行走。機器人 III 的失敗歸因於氣動缸和姿勢控制器都無法處理與運動相關的突然負載變化。
簡而言之，BPA 充當過濾器，對擾動做出即時響應；控制器無法完成的任務。這種相同的過程發生在生物肌肉中，生物肌肉對擾動幾乎瞬時做出反應，但對神經輸入的反應卻很緩慢 [16]。隨著未來生物啟發閉環控制器的加入，Ajax 預計將展現出穩健的昆蟲式運動。
7. 未來工作
雖然該機器人的機械方面已經完成，但控制系統仍處於起步階段。由於系統的機械特性與其控制電路息息相關，因此 Ajax 的控制器有望從其設計與實際昆蟲設計之間的密切關係中獲益。這種關係在編織式氣動執行器的肌肉樣性質中最為突出。
將新增感測器以提供關節位置反饋和力反饋。關節角度可以透過電位計輕鬆確定，就像我們以前機器人中做的那樣。力反饋將透過執行器壓力測量獲得，這些測量值在給定執行器長度的情況下，可用於確定執行器力。雖然將應變儀正確放置在執行器的安裝元件上可以產生足夠的力反饋，但以前的工作表明壓力感測器固有的許多理想特性：它們具有更清晰的訊號，不需要放大器，也不表現出串擾；這些都是應變儀的缺點。此外，應變儀必須安裝在它們所記錄的執行器正旁邊；這需要在肢體的遠端增加更多重量（從而增加了肢體的慣性矩），通常會減少可用的執行器行程。我們已經證明，位於執行器下游的壓力感測器能夠產生足夠的訊號來確定執行器力。
為機器人 III 開發了一個昆蟲啟發控制器，並將對其進行修改以供機器人 V 使用。這是一個分散式分層控制系統。從區域性到中心的程序包括控制關節位置和剛度、腿間協調和反射、腿內步態協調和身體運動的電路。腿間協調電路解決了腿部的逆運動學問題，而集中式姿勢控制系統解決了力分配問題。
進一步閱讀
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- "仿生機器人 - 自己構建機器人氣動肌肉執行器" 是一個解釋氣動肌肉是什麼以及如何在家裡構建一個的頁面。
- 影子機器人公司：氣動肌肉概述："氣動肌肉通常使用 0-60psi (0-4 巴) 範圍內的壓縮空氣操作。"
參考文獻
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