机器人关节结构？

题目范围广，我们从人形/仿人机器人入手，从运动关节、施工过程、减速器等方面来看整个机构的研究和应用。

过去，机器人只是简单地模拟人或机器的动作。现在，仿人机器人的运动步态包括步行、跳跃、踢足球、上下楼梯：

所有这些实现都离不开机器人的关节结构设计和制造，即全机构。仿人机器人主要由机械、控制和传感三部分组成，其中机械部分就像高层建筑的基础，是其他部分的重要基础。

根据系统分类，机械部分包括两个子系统：驱动系统和机械系统。机械部分可分为头部、胸部、手臂、手、腿和脚。

作为机械部件的关键点之一，整个机构类型与关节的数量和布局密切相关。一般来说，成年人有206块骨头和78个大关节，而模拟人类关节和骨架构的模拟机器人通常有15-70个关节。

虽然整个机构很少被提及，但它对仿人机器人具有重要意义 ▽

慕尼黑工业大学LOLA机器人比较了大腿和小腿的各种结构，较终从中选择较好的。其目的是改变机器人的运动性能。

2. 减轻机器人重量和腿部旋转惯量有助于提高机器人的运动性能：

俄勒冈州立大学Digit机器人将膝盖伺服驱动器向大腿移动，踝关节伺服驱动器向小腿移动，减少腿部旋转惯性，显著提高步行速度。

3. 增加腿部弹性机构可以减少机器人的行走冲击和储能：

Digit同时增加弹性元件，提高机器人的运动能力和安全性。

机器人运动关节的特点

Walker它的出现是实现让机器人进入千家万户目标的坚实一步。作为智能助手TA它可以帮助或取代人类完成简单重复的服务。因此，在设计机器人关节时，我们首先要看人类关节和肌肉是如何工作的。

人类关节运动的特点之一是运行速度快，机动性好，脚焦点分散，高速碰撞。如何满足这种关节运动的特点？这需要在关节设计中实现瞬时高功率输出、高能利用效率和瞬时冲击。

因此，弹性驱动器的概念被提出，它的基础来源于Hill三元素肌模型主要由三部分组成：CE收缩单元、SE串联单元、PE并列单元有两种组合形式：PS肌肉模型、SP肌肉模型。

当两种模型转换为机器人应用驱动器时，可以产生多种形式(如上图右):

(a)它是一种传统的刚性驱动器，可以理解为电机 减速器 编码器；(b)是传统的驱动器 弹性单元，然后连接负载构成SEA串联驱动；(c)弹性单元并联于传统驱动器之外，即PEA；(d)在SE在此基础上增加离合器clutch，可控制弹性单元；(e)(f)是上述三种组合形式之一。

整个机构类型的施工过程

对于Walker在整个机构类型的施工过程中，首先定义每个关节的扭矩要求、角度要求、尺寸规格等，然后根据需要选择电机、减速器、编码器等。整个驱动方案完成后，设计模拟机器人的结构，将机器人的三维模型放入模拟平台进行。经过几轮迭代，得到了优化的设计。

标准化制定减速器

说到减速器，不得不说，由于仿人机器人的运动特点，舵机主要在低速高扭矩场景中工作，高速低扭矩特性的电机不能满足直接使用的需要，只能通过减速器降低速度，提高扭矩。

仿人机器人常用的减速器主要有三类。由于机器人对控制精度要求高，回差是机器人精密减速器的关键性能指标之一。

伺服驱动类型

看看仿人机器人常用的伺服驱动器类型比较：

目前，传统驱动技术相对成熟，广泛应用于多个领域；弹性驱动主要集中在大学和研究所；本体驱动主要用于四脚机器人或小型双脚机器人。

Walker大型伺服舵机集成了高密度无框扭矩电机、双位置编码器、谐波减速器和高性能处理控制器，硬件设计采用多重安全监控和故障保护机制，软件采用增强伺服控制算法，为灵活运动提供了坚实的基础。

不难想象，仿人机器人的机械结构将在未来得到快速发展和广泛应用。在整个机构类型的未来发展趋势中，一是伺服驱动和整个机构类型的集成设计、机电和运动控制的联合模拟，实现机器人的较佳设计；二是引入弹性元件，为电动驱动伺服驱动提供辅助扭矩，缓冲地面冲击；三是仿生应用，我们知道许多仿生机器人设计是模拟人或动物背后的原理，这些动物和人体骨骼肌肉的研究将助推机器人机械技术的发展。

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