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六足机器人的发展史

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一、前言 談到足式機器人,當然目前主流大多是聯想到和人相似、有親切感的雙足機器“人”,從某一層面來看,以雙足步行為演化上的一個極為小眾的特例,本身對達到穩定運作控制的困難度很高,從瞭解「生物出生到可以開始自行運動所需的時間」便可以窺知一二。從另一個角度來看,人類所能自在運動的地表也侷限在某一些型態之中,若要探討如何在各式自然地形上運動的法則,勢必得回過頭來探討多足動物的運動機制。而從物理直覺來評析,單就在崎嶇路面上運動的穩定性來探討,採用多足機器人會比較簡單且實際。基於這一些原因,仿生多足機器人的研發便有了背後的動機,模仿經過長時間演化後動物的構造,藉由觀察牠們的運動,了解為什麼有如此的動作,再利用機構或是控制去完成。在自然界中,我們看到體型較大、有優秀運動能力的動物像馬、獵豹、羚羊等等都是四隻腳的哺乳類動物,但考慮到穩定性卻是六足比較佔優勢,只要用簡單的三腳步態(tripod gait)即可讓重心輕易落在支撐的三角形中。四足動物的腳可能需要比較大的力量才能表現出他的特性,但人類尚無法仿造出重要的肌肉和控制系統,以現有機構和馬達組成的系統,重量太重而無法有效運動。這時,自由度的選擇以及機構設計便成了一個很重要的課題。 這二、三十年學業界創造出了許多各式各樣的多足機器人,在後續的文章中便為各位讀者進行介紹[2, 3]。 二、學術界開發仿生多足機器人 (1)Quadruped 圖一 Quadruped[4] 由 Prof. Marc Reibert所領導的MIT Leg Lab於1984~1987年製作,重38公斤,整體長度1.05公尺,高度0.95公尺,採用長柱狀的腳,每一隻腳連接身體的關節是由兩個液壓致動器(hydraulic actuators)組成,分別控制腳的前後及左右的旋轉,腳上有一個線性致動器來提供推進力。在控制上將腳簡易的分成兩組,不同的分組方法便產生了小跑(trot)、跑(pace)和奔馳(bound)等三種步態,奔馳可達到3.5個身體長度,有很好的穩定性和運動特性。 (2)Attila & Hannibal 圖二 Hannibal[5] Micro-rover的計畫,在1990年由MIT Prof. Rodney Brooks所領導的Artificial Intelligence Lab設計和製作,35公分長、15公分高、2.8公斤,兩個機器人只有顏色上的不同,Attila是金色,Hannibal是紅色,總共19個自由度,每隻腳3個,身體的自由度用來確保腳的垂直,當爬上斜坡時讓重心更靠近斜坡表面。因為馬達技術的進步,不需要使用力量較大的氣壓或液壓驅動,不用外接引擎或空壓機...

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