机器人的步行是依照人类步行为模型的。
在研究双足步行的基础理论时,本田针对人类步行和其它形式的行走,做了大量的实验并获取了大量的数据。在此基础之上,本田研究出类似人类的快速行走技术。
1.腿部关节配置
在设计机器人关节配置的时候,人类的结构被选作为参考。考虑到脚趾在步行中的作用,脚趾和脚后跟的位置显得非常重要,因为它们决定了机器人的体重是如何被支撑的。机器人对地面的作用力感觉来自脚上的关节。脚上的关节可以前后、左右旋转,在正常步行时用来保持纵向平衡,并且更好地感知当脚在斜面上的情况。在跨越、上下楼梯时需要用到膝关节和髋关节。机器人系统由多个关节组成,如髋关节、膝关节和脚部关节。
2.关节活动范围
考虑步行中关节的活动范围时,针对人类在平面上和楼梯上的步行进行了研究。通过测量关节的运动,来确定每个关节的活动范围。
3.腿的尺寸、重量和重心
为了确定腿的重心位置,人类的重心被选作为参考。
4.行走时腿上关节的力矩
为了确定行走时腿上关节施加力矩的理想值,测量了人类在行走和对应对突发事件反应时关节的力矩。
5.步行所需的传感器
人类由下面三种感知来保持平衡:
- 内耳的耳石感知到的速度
- 半规管感知到的角速度
- 来自肌肉和皮肤的感知:关节的角度,角速度,肌肉力量,脚底受力和皮肤的感觉
为了“理解”步行中脚的运动,机器人系统配备有关节角度传感器,6轴力传感器,速度传感器和陀螺仪来确定位置。
6.步行中的作用力
人类拥有一些结构化的元素组成,如柔软的皮肤,脚后跟以及由脚趾组成的弓形结构。它们连接可以运动的部位,通过弯曲来吸收脚接触地面时的冲击力。对人类步行的实验和分析显示,步行速度越快,地面的反作用力越大,尽管减少冲击力的功能仍发挥作用。以 2 – 4km/h速度步行时,反作用力是身体重量的 1.2 – 1.4 倍;8km/h时,负载增加到身体重量的 1.8 倍。
对于机器人来说,需要在脚底安装吸收冲击力的材料,并使用顺应控制来减少冲击力。