畢業(yè)論文--仿人雙足機(jī)器人

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要</b></p><p>　　仿人雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究的前沿領(lǐng)域，是多種科技的結(jié)合，代表一個(gè)國(guó)家的技術(shù)水平。仿人雙足機(jī)器人最大的特征就是雙足步行，因此它的靈活性很高，可以代替人類完成危險(xiǎn)作業(yè)。</p><p>　　本文回顧了國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人的發(fā)展歷史，在分析人類下肢結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定機(jī)器人機(jī)構(gòu)的自由度配置、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及

2、驅(qū)動(dòng)形式。在inventor環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的建模及裝配，完成仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和強(qiáng)度分析，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能和強(qiáng)度，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： 仿人雙足機(jī)器人，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)模擬，強(qiáng)度分析</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)外文摘要</b></p><p>　　Titl

3、e Design of humanoid biped robot</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Humanoid biped robot is a frontier field of robot research, is the combination of science and technology, the tech

4、nical level on behalf of a country's. Characteristics of humanoid biped robot is the biggest biped walking, so its high flexibility, can replace human do dangerous work.</p><p>　　This paper reviews the d

5、evelopment history of domestic and foreign humanoid biped robot, based on analysis of human lower limb structure, determine the robot DOF configuration, joint structure and drive mode. Modeling and assembly mechanism bas

6、ed on inventor, completed the design of humanoid biped robot mechanism, finally carries on the analysis of motion simulation and strength of humanoid biped robot, motion performance and the strength of the inspection org

7、anization, and further optimize the </p><p>　　Keywords Humanoid biped robot，mechanism design，motion simulation，strength analysis </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1

8、 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本課題研究的主要內(nèi)容11</p><p>　　2 仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.1 人體下肢分析12</p>

9、<p>　　2.2 仿人雙足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)20</p><p>　　2.3 仿人雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)23</p><p>　　2.4 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)35</p><p>　　2.5 本章小結(jié)37</p><p>　　3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬38</p><p>　　3.1 行走的運(yùn)動(dòng)模擬3

10、8</p><p>　　3.2 蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬41</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬43</p><p>　　3.4 本章小結(jié)43</p><p>　　4 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析45</p><p>　　4.1 靜態(tài)強(qiáng)度分析45</p><p>　　4.2 運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析

11、48</p><p>　　4.3 本章小結(jié)51</p><p><b>　　結(jié)論52</b></p><p><b>　　致謝53</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)54</p><p><b>　　1 緒論</b></p>

12、<p>　　1.1 課題研究的意義</p><p>　　隨著機(jī)器人研究的不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，人們把目光更多的集中在仿人雙足機(jī)器人的研究上[1]。</p><p>　　仿人雙足機(jī)器人融合了多種學(xué)科、高新技術(shù)于一身，不僅代表了機(jī)器人研究領(lǐng)域的尖端技術(shù)，也反映了一個(gè)國(guó)家的科技水平，因此各個(gè)國(guó)家都投入巨資開展研究。</p><p>　　正如著名的機(jī)器

13、人專家，日本的加藤一朗教授說(shuō)的那樣“步行功能應(yīng)當(dāng)是機(jī)器人所具備的最大特征之一 [2]”。與其他步行機(jī)器人相比仿人雙足機(jī)器人最主要的特征就是雙足步行，雙足步行是人類的特有功能，是人腿經(jīng)過不斷進(jìn)化的結(jié)果。因此雙足機(jī)器人的步行是機(jī)器人步行系統(tǒng)中最復(fù)雜、自動(dòng)化程度最高的，其步行系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　(1)仿人雙足機(jī)器人地面適應(yīng)能力強(qiáng)，步行占地面積小，移動(dòng)范圍大、盲區(qū)小，有較高的越障能力，可以實(shí)現(xiàn)上

14、下臺(tái)階、通過崎嶇路面等復(fù)雜動(dòng)作。 </p><p>　　(2)仿人雙足機(jī)器人的能耗低，可以設(shè)置獨(dú)立的能源供給，適應(yīng)未來(lái)能源緊張的形勢(shì)。</p><p>　　(3)仿人雙足機(jī)器人應(yīng)用前景廣闊，不僅可以代替人在危險(xiǎn)條件下工作，也可以改裝成移動(dòng)平臺(tái)加裝各種設(shè)備，擴(kuò)大加裝設(shè)備的移動(dòng)范圍。</p><p>　　仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)在工程應(yīng)用上是少有的多自由度、高階、非線性系統(tǒng)，

15、這些無(wú)疑對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置提出了新的要求。仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及相關(guān)控制理論研究的理想平臺(tái)，力學(xué)及控制領(lǐng)域中的理論、方法經(jīng)常會(huì)在對(duì)其機(jī)構(gòu)的研究中創(chuàng)新[3]。不僅如此在研究仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的過程中還能對(duì)周邊的學(xué)科—如仿生學(xué)、人工智能等產(chǎn)生推動(dòng)作用，促進(jìn)其發(fā)展。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國(guó)外仿人雙

16、足機(jī)器人研究現(xiàn)狀</p><p>　　最早在1968年的英國(guó)，Mosher. R試制了一臺(tái)只有髖和踝兩個(gè)關(guān)節(jié)的操作型雙足步行機(jī)器人“Rig”，操作者依靠力來(lái)反饋感覺保持機(jī)器平衡，這種主從式的機(jī)械裝置可以算的上是雙足步行機(jī)器人的雛形[4]。與此同時(shí)，大洋彼岸的日本早稻田大學(xué)也在機(jī)器人專家加藤一郎的帶領(lǐng)下開始研制雙足機(jī)器人，1969年WAP-1平面行走步行機(jī)誕生，機(jī)構(gòu)形式為串聯(lián)平面機(jī)構(gòu)，共有6個(gè)自由度，每條腿有踝、膝

17、、髖三個(gè)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)為人造橡膠肌肉構(gòu)成，肌肉的收縮通過注氣排氣實(shí)現(xiàn)，而后牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)邁步。但是由于氣體的可壓縮性，該機(jī)器人行走不穩(wěn)定。1971年WAP-2誕生，其機(jī)構(gòu)形式與WAP-1機(jī)器人基本相同，共有11個(gè)自由度，也是通過人造肌肉的驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在平地、斜坡和臺(tái)階上行走。該機(jī)器人體重為130kg，高為0.9m，可載荷30kg，可以實(shí)現(xiàn)步幅為0.15m，每步45s的靜態(tài)步行[5]。1973年成功研制出仿人機(jī)器人WABOT-1，是一個(gè)

18、模仿人類雙足行走的機(jī)器人，1984年研發(fā)出WABOT-2，這是款可以彈琴的機(jī)器人；1992年早稻田大學(xué)制定出仿人機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃，于1995年研發(fā)出導(dǎo)航機(jī)器人Hadaly-1，1997</p><p>　　圖1.1 WABIAN系列機(jī)器人</p><p>　　日本東京大學(xué)制研的H5、H6、H7系列機(jī)器人，如圖1.2所示，是完全仿人形的，特別是H7型機(jī)器人，它高1.5m，重55kg，下肢比一

19、般的雙足機(jī)器人多了兩個(gè)足趾關(guān)節(jié)的自由度，擁有三軸加速度傳感器，可以通過腳部配備的六維力傳感器識(shí)別觸地狀態(tài)，因此它可以模擬人類的足尖行走[7]。 </p><p>　　圖1.2東京大學(xué)仿人機(jī)器人系列</p><p>　　川田工業(yè)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所及川崎重工業(yè)聯(lián)合試制出HRP系列類人機(jī)器人，HRP-2是第一個(gè)具有人類外形尺寸的機(jī)器人，它可以躺下也可以起立，如圖1.3所示。HRP-3機(jī)器人為防

20、塵防水構(gòu)造，在易滑的冰面上，也能以1.5km/h的速度步行。另外，它還具有腿腕協(xié)調(diào)控制功能，可進(jìn)行需要單手支撐、彎下身去才能完成的操作[6]。</p><p>　　圖1.3 HRP-2機(jī)器人</p><p>　　日本本田公司按研制時(shí)間先后，把所研制出的仿人雙足機(jī)器人分別命名為P1、P2、P3。P2于1996年12月研制成功，是上世紀(jì)第一個(gè)無(wú)纜的雙足機(jī)器人，高1.8m，重210kg，可以實(shí)現(xiàn)

21、獨(dú)自行走、上下臺(tái)階、和推車等復(fù)雜動(dòng)作。 P3是P2的升級(jí)版，尺寸由原來(lái)的1.8m降為1.6m，體重卻減少了近70kg，行動(dòng)能力大幅提升。2000年10月ASIMO智能仿人雙足機(jī)器人誕生，它高1.2m，重52kg，行走速度為0~1.6km/h，驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)和諧波減速器，采用I-WALK技術(shù)，它可以通過實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作來(lái)提前改變身體重心，因此可以自如的行走，進(jìn)行諸如“8”字行走、上下臺(tái)階和彎腰等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作[8]。圖1.4為P2

22、、P3和ASIMO機(jī)器人。</p><p>　　圖1.4本田系列機(jī)器人 </p><p>　　早稻田大學(xué)機(jī)械工程系研制出的雙腿行走機(jī)械裝置WL-15采用完全并聯(lián)的腿部結(jié)構(gòu)，如圖1.5所示，腿部由三套并聯(lián)的雙缸機(jī)構(gòu)組成，足部由骨盆的六個(gè)缸體匯聚而成。相比傳統(tǒng)的雙足機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的執(zhí)行元件承受的負(fù)載要更小，相對(duì)負(fù)載能力更強(qiáng)。但是由于WL-15沒有膝關(guān)節(jié)，因此無(wú)法完全模擬人類的行走步態(tài)。

23、德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制出的Johnnie雙足機(jī)器人，如圖1.5所示，高1.8m，重40kg，兩條腿共12個(gè)自由度，通過直流電機(jī)來(lái)配合輕質(zhì)齒輪減速器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)[9][10]。</p><p>　　圖1.5 Johnnie和WL-15機(jī)器人</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)仿人雙足機(jī)器人研究現(xiàn)狀</p><p>　　與國(guó)外相比，我國(guó)的仿人雙足機(jī)器人研究起

24、步較晚，直到20世紀(jì)80年代中期才開始仿人雙足機(jī)器人的研究工作，當(dāng)時(shí)的主要研究單位有國(guó)防科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)早在1985年就開始研制雙足機(jī)器人，截止1995年已經(jīng)成功研制出HIT-Ⅰ、HIT-Ⅱ、HIT-Ⅲ三個(gè)型號(hào)。1995年成研制出HIT-IH機(jī)器人，每條腿共有6個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)由兩個(gè)正交的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2004年6月成功研制出能用腳踢足球的雙足類人足球機(jī)器人，如圖1.6所

25、示。</p><p>　　2000年，中國(guó)第一臺(tái)仿人雙足機(jī)器人“先行者”在國(guó)防科技大學(xué)誕生，如圖1.6所示，它高1.4m，重20kg，全身共具有17個(gè)關(guān)節(jié)，像人類一樣擁有軀體、四肢、頭部，并具備一定的語(yǔ)言功能。腿部為串聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)經(jīng)諧波減速驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作。</p><p>　　2002年12月由北京理工大學(xué)研制的中國(guó)第一個(gè)真正意義上的仿人機(jī)器人BRH通過了驗(yàn)收。BRH-

26、01高1.58m，重76kg，全身共32自由度，步幅為0.33m，步速為1km/h。2005年第三代BRH-1“匯童”由北京理工大學(xué)和中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所合作研制成功，如圖1.6所示，它高1.6m，重63kg，突破了仿人機(jī)器人的復(fù)雜動(dòng)作設(shè)計(jì)，腿部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每條腿具有6個(gè)自由度。同時(shí)它還具有人類的視覺、語(yǔ)音和平衡功能，并且首次在國(guó)際上模仿中國(guó)傳統(tǒng)的太極拳、刀術(shù)等復(fù)雜動(dòng)作。</p><p>　　圖1.6 國(guó)內(nèi)仿人雙足

27、機(jī)器人</p><p>　　1.2.3 仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概述</p><p>　　根據(jù)上面的國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀中我們可以總結(jié)出其機(jī)構(gòu)形式主要有以下幾種：</p><p><b>　　1、多關(guān)節(jié)串聯(lián) </b></p><p>　　為多數(shù)仿人雙足機(jī)器人采用，如HIT-Ⅲ、“先行者”和 “匯童”，這類機(jī)器人的

28、主要特點(diǎn)是：</p><p>　?。?）串聯(lián)的機(jī)構(gòu)方式更加形象，由于其機(jī)構(gòu)的位置正解比較容易，使得串聯(lián)機(jī)構(gòu)在控制上比較成熟，這也是國(guó)內(nèi)大多機(jī)器人采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)的原因。（2）串聯(lián)機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)形式上為多個(gè)空間旋轉(zhuǎn)自由度的串聯(lián)，如圖1.7所示，機(jī)構(gòu)形式不夠緊湊，因此帶來(lái)了體積和重量上的問題，進(jìn)而影響機(jī)器人的整體性能。 </p><p><b>　　2、完全并聯(lián)</b></

29、p><p>　　最典型的就是由早稻田大學(xué)研制的WL-15雙足機(jī)器人，由于采用完全并聯(lián)的腿部結(jié)構(gòu)，不僅分散了各個(gè)缸體承受的載荷，使得機(jī)器人腿部的剛度大，相對(duì)的承載能力強(qiáng)，還使得逆解運(yùn)算更加容易[11]。這種結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)雙足步行，但是由于缺少膝關(guān)節(jié)，不僅使得機(jī)器人的步態(tài)無(wú)法擬人而且步幅較小，如圖1.7所示。</p><p><b>　　3、串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合</b></

30、p><p>　　并聯(lián)處多為踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，綜合了串聯(lián)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文采用的正是這種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖1.7 腿部結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　從仿人雙足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式上來(lái)看，主要有電氣驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，從而獲得機(jī)器人的位置、速度、加速度，過程中沒有能量轉(zhuǎn)換，效率較高，具

31、有無(wú)環(huán)境污染、易于控制、運(yùn)動(dòng)精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用最廣，主要代表： WABIAN-2機(jī)器人、H7機(jī)器人；液壓驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率更大、工作平穩(wěn)可靠、精度高、易于控制，主要代表：WL-15機(jī)器人；氣壓驅(qū)動(dòng)采用空氣作為介質(zhì)、易于取得、對(duì)環(huán)境污染小，能量損失小、反應(yīng)迅速、工作適應(yīng)性好，成本低，主要代表：日本早稻田大學(xué)的WAP-1。</p><p>　　1.3 本課題研究的主要內(nèi)容</p><

32、p>　　“仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”是在分析人體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究一種仿人雙足機(jī)器人行動(dòng)機(jī)構(gòu)。行動(dòng)機(jī)構(gòu)和人一樣有兩條大腿、兩條小腿和兩個(gè)足，具有類似人腿功能。要求其機(jī)構(gòu)具有體積小，重量輕，外形類人，關(guān)節(jié)功能上實(shí)現(xiàn)人體功能，驅(qū)動(dòng)合理，使機(jī)構(gòu)在動(dòng)作和功能上盡可能的仿人，同時(shí)滿足穩(wěn)定性要求，主要工作如下：</p><p>　　1、回顧仿人雙足機(jī)器人的發(fā)展歷史，對(duì)國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式、自由度分

33、配、實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行分析對(duì)比，確定所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　2、分析了人體下肢的生理結(jié)構(gòu)，主要對(duì)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)分析，確定了仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的自由度配置、機(jī)構(gòu)形式及驅(qū)動(dòng)方案。</p><p>　　3、設(shè)計(jì)仿人雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在inventor環(huán)境下對(duì)機(jī)器人的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、以及整體機(jī)構(gòu)的裝配。</p><p>　

34、　4、在inventor環(huán)境下利用inventor中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊和應(yīng)力分析模塊，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和強(qiáng)度分析。</p><p>　　2 仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　仿人雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是有關(guān)仿人雙足機(jī)器人一切研究的基礎(chǔ)和載體，是仿人雙足機(jī)器人最基本的構(gòu)成。仿人雙足機(jī)器人為了達(dá)到擬人的效果，首先要求仿人雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)為多自由度機(jī)構(gòu)且自由度分配接近人類腿部的自由度分配。

35、其次要求所設(shè)計(jì)的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外形，各部位的質(zhì)量比與人類接近。本章主要是根據(jù)人類腿部的生理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)。</p><p>　　2.1 人體下肢分析[12][13]</p><p>　　骨、骨連結(jié)和骨骼肌共同組成生物體運(yùn)動(dòng)系，它們?cè)谏窠?jīng)系統(tǒng)的控制下對(duì)人體起著保護(hù)、運(yùn)動(dòng)和支持的作用[14]。人體共有二百余塊骨骼，骨骼與骨骼之間通過筋腱和軟骨連接在一起，構(gòu)成了人體的骨架。骨

36、架是一個(gè)完整的系統(tǒng)，是人體其他系統(tǒng)的基礎(chǔ)，支撐著人類的軀體、保護(hù)著人體內(nèi)部的臟器，既堅(jiān)固、輕巧又便于運(yùn)動(dòng)，如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1人體骨骼構(gòu)造圖</p><p>　　人體的關(guān)節(jié)是指骨與骨之間有腔隙的骨連結(jié)，一般由相接的兩骨相對(duì)形成，能活動(dòng)的稱為“活動(dòng)關(guān)節(jié)”，不能活動(dòng)的稱為“不動(dòng)關(guān)節(jié)”，本文這里說(shuō)的關(guān)節(jié)都指活動(dòng)關(guān)節(jié)。附于骨骼上的骨骼肌收縮時(shí)，牽引骨移動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)

37、，其主要運(yùn)動(dòng)形式基本上分為3種：屈和伸、內(nèi)收(關(guān)節(jié)靠近身體中線)和外展(關(guān)節(jié)離開身體中線)、內(nèi)旋和外旋。如下肢的踝關(guān)節(jié)能作屈和伸、內(nèi)收和外展兩組動(dòng)作，膝關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)旋和外旋兩組動(dòng)作，髖關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)收和外展、內(nèi)旋和外旋三組動(dòng)作，如圖2.2所示。</p><p>　　1、2為屈伸運(yùn)動(dòng)、3、4為內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)、5、6為內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)</p><p>　　圖2.2下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)</p&

38、gt;<p>　　由肌肉組織構(gòu)成的肌肉是人體的動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)著全身的關(guān)節(jié)，按結(jié)構(gòu)和功能可分為平滑肌、心肌和骨骼肌，這里主要介紹骨骼肌。骨骼肌主要分布于頭、頸、軀干和四肢，絕大部分上呈多層分布，并且對(duì)稱于人體中軸線。每個(gè)關(guān)節(jié)都有一對(duì)作用相反的肌肉：屈肌和伸肌，如圖2.3所示</p><p>　　圖2.3肘關(guān)節(jié)屈肌和伸肌示意圖</p><p>　　2.1.1 下肢骨骼關(guān)節(jié)解剖分析

39、</p><p>　　人體下肢關(guān)節(jié)主要有踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，主要骨骼有足骨、腓骨、脛骨、髕骨、股骨和骨盆。</p><p><b>　　1、踝關(guān)節(jié)</b></p><p>　　脛、腓骨下端的關(guān)節(jié)面及距骨滑車構(gòu)成踝關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是：關(guān)節(jié)面前寬后窄，關(guān)節(jié)囊前后松弛，兩側(cè)有側(cè)副韌帶加強(qiáng)，因此踝關(guān)節(jié)可以做足背屈、伸運(yùn)動(dòng)，也可以在較小范圍內(nèi)外翻轉(zhuǎn)。如圖2

40、.4所示</p><p>　　圖2.4踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)</p><p><b>　　2、膝關(guān)節(jié)</b></p><p>　　膝關(guān)節(jié)由股骨內(nèi)、外側(cè)髁、脛骨內(nèi)、外側(cè)髁和髕骨組成，兩髁下端的關(guān)節(jié)面接合徑骨上端的關(guān)節(jié)面，中央放置髕骨，形成為膝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)為滑車關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)囊堅(jiān)韌，韌帶較多，囊內(nèi)韌帶為前、后交叉韌帶，囊外韌帶有前方的髕韌帶，內(nèi)側(cè)的脛側(cè)副韌帶，

41、外側(cè)的腓側(cè)副韌帶等。主要運(yùn)動(dòng)形式為屈伸運(yùn)動(dòng)，屈膝時(shí)由于側(cè)副韌帶松弛，可以稍微旋轉(zhuǎn)，如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5膝關(guān)節(jié)構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)</p><p><b>　　3、髖關(guān)節(jié)</b></p><p>　　髖關(guān)節(jié)屬于杵臼關(guān)節(jié)，由股骨頭和髖臼相對(duì)構(gòu)成。髖臼內(nèi)只有月狀面被關(guān)節(jié)軟骨包裹，在髖臼的邊緣附著著關(guān)節(jié)盂，加深關(guān)節(jié)窩的深度。髖臼橫韌帶橫

42、架在髖臼切跡上，與切跡圍成一孔，有神經(jīng)和血管等通過。關(guān)節(jié)囊很厚而且十分堅(jiān)韌，上端附著在髖臼的周緣及髖臼橫韌帶，下端前面附著在轉(zhuǎn)子間線，后面附著在轉(zhuǎn)子間脊內(nèi)側(cè)。髖關(guān)節(jié)四周有韌帶加強(qiáng)，主要是髂骨韌帶長(zhǎng)而堅(jiān)韌，位于髖關(guān)節(jié)前面，可限制大腿過度后伸，對(duì)維持人體直立有重要意義。髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，能作屈伸、內(nèi)收外展、內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)，如圖2.6所示。</p><p>　　圖 2.6髖關(guān)節(jié)構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)</p><

43、p>　　2.1.2 下肢肌肉解剖分析</p><p>　　下肢肌主要有髖肌、大腿肌和小腿肌。髖肌按其部分可分為髖內(nèi)肌群、髖外肌群。大腿肌可分為前群、內(nèi)群和后群，分別位于股部的前面、內(nèi)側(cè)面和后面。小腿肌也可分為三群：前群位于骨間膜的前面，后群位于骨間膜的后面，外側(cè)群位于腓骨的外側(cè)面，具體結(jié)構(gòu)如圖2.7所示</p><p>　　圖2.7下肢肌肉結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

44、t;<b>　　1、髖肌</b></p><p>　　髖肌起自軀干骨和骨盆止于股骨，包繞著髖關(guān)節(jié)的四周，可分為髖內(nèi)肌群、髖外肌群。髖內(nèi)肌群主要是由腰大肌和髂肌組成的髂腰肌。腰大肌被筋膜鞘包裹，主要作用是使髖關(guān)節(jié)前屈和旋外。主要位于臀部的髖外肌群由臀大肌、臀中肌、臀小肌和梨狀肌等構(gòu)成，主要作用是屈伸髖關(guān)節(jié)。</p><p><b>　　2、大腿肌</b&

45、gt;</p><p>　　大腿肌分為前群、內(nèi)群和后群，分別位于股部前面、內(nèi)側(cè)面和后面。大腿前側(cè)肌群的縫匠肌呈扁帶狀，是人體最長(zhǎng)的肌，是大腿前側(cè)肌群和內(nèi)側(cè)肌群外形上的分界線。股四頭肌構(gòu)成了大腿的前側(cè)體積，是人體中體積最大的肌。股四頭肌特別發(fā)達(dá)，它的4個(gè)頭分別為股內(nèi)側(cè)肌、股中間肌、股外側(cè)肌和股直肌，主要作用伸直小腿和輔助屈大腿。大腿內(nèi)側(cè)肌群的作用是使大腿內(nèi)收、內(nèi)旋和外旋。大腿后群肌肉包括股二頭肌、半腱肌及半膜肌，主

46、要作用是屈膝、伸髖和微旋小腿。</p><p><b>　　3、小腿肌肉群</b></p><p>　　小腿肌肉的數(shù)目較少，但肌肉一般都比較粗大，主要作用是維持人體站立和行走。小腿肌可分為三群：前群在骨間膜的前面，外側(cè)群在腓骨的外側(cè)面，后群在骨間膜的后面。前群有脛骨前肌、趾長(zhǎng)伸肌和四長(zhǎng)伸肌，各肌收縮可使足背屈。外側(cè)群有腓骨長(zhǎng)肌和腓骨短肌，皆起于腓骨外側(cè)，主要作用是使足

47、外翻，支撐足弓。后群分淺、深兩層，共有七塊肌肉，分別為腓腸肌、跖肌、比目魚肌、腘肌、趾長(zhǎng)屈肌、脛骨后肌和母長(zhǎng)屈肌。</p><p>　　2.2 仿人雙足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)[15]</p><p>　　通過上文中對(duì)人體下肢關(guān)節(jié)和肌肉的分析可以得出：人體下肢的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，肌肉連接的樣式繁多，要使設(shè)計(jì)出的仿人雙足機(jī)器人完全的擬人是不可能的。所以首先應(yīng)該對(duì)人體腿部的關(guān)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，確定簡(jiǎn)化后的關(guān)節(jié)自由

48、度，以此來(lái)配置仿人雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)的自由度。而后參考人體的尺寸和國(guó)內(nèi)外機(jī)器人機(jī)構(gòu)，確定仿人雙足機(jī)器人的總體尺寸、關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)形式及驅(qū)動(dòng)方式。最后在inventor環(huán)境下對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和裝配，完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.2.1 機(jī)器人腿部自由度分配</p><p>　　根據(jù)上文的人體結(jié)構(gòu)分析可知：髖關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)屈和伸、內(nèi)收和外展、內(nèi)旋和外旋三組動(dòng)作，可以認(rèn)為髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度。

49、膝關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)旋和外旋兩組動(dòng)作，但是內(nèi)旋、外旋只能在屈膝時(shí)完成，并且角度很小，可以忽略不計(jì)，認(rèn)為膝關(guān)節(jié)只有1個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)屈和伸、內(nèi)收和外展兩組動(dòng)作，認(rèn)為有兩個(gè)自由度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，仿人雙足機(jī)器人腿部至少需要12個(gè)自由度才能滿足人類腿部的基本功能，即髖關(guān)節(jié)3個(gè)自由度、膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度、踝關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，如圖2.8所示。 </p><p>　　圖2.8機(jī)器人腿部自由度配置&l

50、t;/p><p>　　2.2.2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)上文的結(jié)論，人體腿部的踝關(guān)節(jié)有2個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度。根據(jù)第一章對(duì)國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀的分析，確定本文所設(shè)計(jì)的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的方式?？傮w機(jī)構(gòu)形式為：踝關(guān)節(jié)為并聯(lián)，與膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)串聯(lián)，髖關(guān)節(jié)為一個(gè)類似踝關(guān)節(jié)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)與一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)，如圖2.9所示。<

51、;/p><p>　　圖2.9 機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.3 機(jī)器人總體尺寸設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)仿人雙足機(jī)器人的研究正是對(duì)人類自身的研究，人體的構(gòu)造是經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化而形成的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。為了使設(shè)計(jì)的仿人雙足機(jī)器人在外形及功能上更加接近于人，對(duì)人體比例的研究必不可少。研究人體各部位的比例關(guān)系，對(duì)仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)大有裨益。通過參考人體結(jié)構(gòu)的比例尺寸，如

52、表2.1所示，確定仿人雙足機(jī)器人的尺寸如下：仿人雙足機(jī)器人的腰寬0.5m，大腿長(zhǎng)0.45m，小腿長(zhǎng)0.35m，足寬0.12m，足長(zhǎng)0.2m。</p><p>　　表2.1 人體結(jié)構(gòu)尺寸 m</p><p>　　2.3 仿人雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.3.1 踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　踝關(guān)節(jié)為二

53、自由度關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)形式為屈伸、內(nèi)翻外翻。根據(jù)仿人雙足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中的自由度分配，踝關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，要求踝關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)形式為并聯(lián)，因此采用虎克鉸鏈來(lái)模擬踝關(guān)節(jié)的二自由度結(jié)構(gòu)，保證踝關(guān)節(jié)的二自由度運(yùn)動(dòng)。同時(shí)采用兩根并聯(lián)的剛性導(dǎo)桿連接足部與小腿，將足部與小腿模擬成兩個(gè)平臺(tái)，如圖2.10所示。</p><p>　　圖2.10 踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　根據(jù)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，剛性導(dǎo)桿與小腿平臺(tái)

54、的連接為移動(dòng)副（P），剛性連桿與導(dǎo)桿和足部平臺(tái)的連接都為球面副（S），小腿平臺(tái)與足部平臺(tái)之間的連接為虎克鉸鏈（T），繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)以下公式計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度</p><p>　　M=d(n-g-1)+ （2-1）</p><p>　　d為機(jī)構(gòu)的階數(shù)，n為構(gòu)件數(shù)，g為運(yùn)動(dòng)副數(shù)，為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)自由度，即為虎克鉸鏈的相對(duì)自由度，為兩個(gè)移動(dòng)副的相對(duì)自由度，為四

55、個(gè)球面副的相對(duì)自由度。</p><p>　　根據(jù)以下公式確定機(jī)構(gòu)的階數(shù):</p><p><b>　　(2-2) </b></p><p>　　為機(jī)構(gòu)公共約束的數(shù)目，根據(jù)公式（2-1）可知，要計(jì)算空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度，關(guān)鍵在于階數(shù)的確定，而階數(shù)可以通過計(jì)算公共約束的數(shù)目來(lái)得到，可以通過較新的反螺旋理論來(lái)確定機(jī)構(gòu)公共約束的數(shù)目[11]。&l

56、t;/p><p>　　圖2.10中的并聯(lián)機(jī)構(gòu)共有三個(gè)分支，第一條分支為虎克鉸鏈，共有兩基本副。其余兩分支為兩根連桿，每條都由兩個(gè)球面副和一個(gè)移動(dòng)副組成，共有七個(gè)基本副。第一條分支的螺旋表示為：</p><p>　　$1： $1： </p><p><b>　　反螺旋表示為：</b></p><p>　　$

57、r1： $r2： </p><p>　　$r3： $r4：</p><p>　　其余兩條分支的螺旋表示為</p><p>　　$1： $2： $3： $4： $5：1 0 0；0 a5 b5） $6：0 1 0；a6 0 b6）

58、 $7：0 0 1；a7 b7 0）</p><p>　　從上式可以看出其余兩條分支反螺旋數(shù)目為0，因而對(duì)小腿平臺(tái)沒有約束，第一分支對(duì)小腿平臺(tái)有四個(gè)約束，分別是沿X、Y、Z軸向的移動(dòng)、繞Y軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　由于分支對(duì)小腿平臺(tái)無(wú)公共約束，根據(jù)公式（2-1）可得d=6，加上之前對(duì)機(jī)構(gòu)的分析可知：</p><p>　　n=6，g=7，，，。根

59、據(jù)公式（2-1）可得：</p><p>　　M=d(n-g-1)+</p><p>　　由于機(jī)構(gòu)中連桿有繞自身旋轉(zhuǎn)的局部自由度，所以整體自由度為2，當(dāng)小腿的兩個(gè)導(dǎo)桿作為源動(dòng)力輸入時(shí)，源動(dòng)力的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目，則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，即兩桿同步移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)，兩桿不同步移動(dòng)時(shí)為踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)。踝關(guān)節(jié)具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為：</p><p>　　踝關(guān)節(jié)

60、由一個(gè)虎克鉸鏈、踝關(guān)節(jié)連接器和小腿連接器組成，踝關(guān)節(jié)連接器與足部的兩個(gè)足耳通過虎克鉸鏈相連。小腿連接器下端的定位孔與踝關(guān)節(jié)連接器上端的定位孔通過一個(gè)定位螺栓相連，小腿連接器的上端通過四個(gè)螺紋孔與小腿相連。小腿左右兩側(cè)各有一個(gè)液壓缸，負(fù)責(zé)給踝關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，液壓缸的活塞即為圖2.10中的剛性導(dǎo)桿，踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。</p><p>　　1.足部 2.足耳 3.踝關(guān)節(jié)連接器 4.定位螺栓 5.小腿連接器

61、6.液壓缸活塞 7.小腿 8.小腿液壓缸</p><p>　　圖2.11 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在inventor環(huán)境下對(duì)踝關(guān)節(jié)的各個(gè)零件進(jìn)行三維建模，踝關(guān)節(jié)各零件如圖2.12所示，踝關(guān)節(jié)裝配效果如圖2.13所示。</p><p>　　圖2.12 踝關(guān)節(jié)零件圖</p><p>　　圖2.13 踝關(guān)節(jié)裝配圖</p>&

62、lt;p>　　根據(jù)圖2.13可知，當(dāng)液壓缸進(jìn)出油液時(shí)，油液帶動(dòng)液壓缸的活塞運(yùn)動(dòng)，由于液壓缸下端與足部剛性連桿相連，足部剛性連桿與足部的后端相連，因此足部剛性連桿在液壓缸活塞的帶動(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)足部的后端，使足部產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　兩側(cè)液壓缸同時(shí)進(jìn)出油液且速度相同時(shí)，帶動(dòng)兩側(cè)的液壓缸活塞同步運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)足部的連桿同步運(yùn)動(dòng)，使足部實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)。兩側(cè)液壓缸進(jìn)出油液的狀態(tài)不一致時(shí)，兩側(cè)液壓缸活塞的運(yùn)

63、動(dòng)不同步，使足部產(chǎn)生外翻和內(nèi)翻。</p><p>　　2.3.2 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)上文中腿部自由度的分配，膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)形式為屈伸運(yùn)動(dòng)，因此可將膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為單軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即大腿與小腿之間采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鉸鏈連接來(lái)模擬膝關(guān)節(jié)的自由度，采用剛性連桿模擬膝關(guān)節(jié)的肌肉，驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)，如圖2.14所示。</p><p>　　圖2.14 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

64、簡(jiǎn)圖</p><p>　　根據(jù)圖2.14可知膝關(guān)節(jié)為平面機(jī)構(gòu)，平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　F為平面機(jī)構(gòu)自由度，n為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，p5機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目，p4為平面高副的數(shù)目。從圖中可以得出n=3，p5=4，p4=0，將數(shù)據(jù)帶入公式（2-3）中得：</p>&l

65、t;p>　　根據(jù)我們之前的分析可知：導(dǎo)桿為膝關(guān)節(jié)的源動(dòng)件，源動(dòng)件數(shù)為1，等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，因此膝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)單自由度鉸鏈運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)具體結(jié)構(gòu)為：</p><p>　　膝關(guān)節(jié)由小腿膝關(guān)節(jié)連接器和大腿膝關(guān)節(jié)連接器通過一個(gè)螺栓連接構(gòu)成，小腿膝關(guān)節(jié)連接器下端通過四個(gè)螺紋孔與小腿的上端相連，大腿膝關(guān)節(jié)連接器的上端也是通過四個(gè)螺紋孔與大腿的下端相連。膝關(guān)節(jié)的后方有膝關(guān)節(jié)連桿，下端通過一個(gè)螺栓連接固定在小腿的上端，上端

66、與大腿后部的液壓缸活塞相連。液壓缸位于大腿后方，主要負(fù)責(zé)為膝關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，屈伸小腿，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖2.15所示。</p><p>　　1.膝關(guān)節(jié)連桿 2.小腿膝關(guān)節(jié)連接器 3.膝關(guān)節(jié)螺栓 4.大腿膝關(guān)節(jié)連接器 5.大腿</p><p>　　圖2.15 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在inventor環(huán)境下對(duì)膝關(guān)節(jié)各零件進(jìn)行三維建模，膝關(guān)節(jié)各零件如圖2.16所示，

67、膝關(guān)節(jié)裝配效果如圖2.17所示。</p><p>　　圖2.16 膝關(guān)節(jié)零件圖</p><p>　　圖2.17 膝關(guān)節(jié)裝配圖</p><p>　　當(dāng)大腿后部的液壓缸進(jìn)出油液時(shí)，油液帶動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)，由于液壓缸活塞下端與膝關(guān)節(jié)連桿的上端相連，因此膝關(guān)節(jié)連桿在活塞的帶動(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小腿的屈伸。</p><p>　　2.3.

68、3 髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)</p><p>　　髖關(guān)節(jié)共有三個(gè)自由，能實(shí)現(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展和內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)加并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，具體上是一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與另一個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，因此可以將髖關(guān)節(jié)分為兩個(gè)部分：</p><p>　　第一部分為髖關(guān)節(jié)的下部，共有兩自由度，實(shí)現(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)形式為一個(gè)倒過來(lái)的踝關(guān)節(jié)，主要由髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈、髖關(guān)節(jié)大腿連接器和髖關(guān)節(jié)平臺(tái)構(gòu)成，也是由三個(gè)并聯(lián)分路組

69、成，第一條為髖關(guān)節(jié)平臺(tái)通過虎克鉸鏈與髖關(guān)節(jié)大腿連接器連接的分路，二、三條為大腿前部的液壓缸活塞通過一個(gè)球面連接與髖關(guān)節(jié)連桿連接的分路。</p><p>　　第二部分為髖關(guān)節(jié)的上部，有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度，實(shí)現(xiàn)內(nèi)旋外旋的運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)形式為一個(gè)液壓馬達(dá)，馬達(dá)上部固定在機(jī)器人的腰上，馬達(dá)下面的輸出軸與髖關(guān)節(jié)的下部連接，髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2.18所示。</p><p>　　1.大腿 2.髖關(guān)節(jié)大腿連接器 3

70、.髖關(guān)節(jié)平臺(tái) 4.液壓馬達(dá) </p><p>　　圖2.18 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在inventor環(huán)境下對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行建模，髖關(guān)節(jié)各零件如圖2.19所示，髖關(guān)節(jié)裝配效果如圖2.20所示。</p><p>　　圖2.19 髖關(guān)節(jié)各零件圖</p><p>　　圖2.20 髖關(guān)節(jié)裝配圖</p><p>　　從圖2

71、.20中我們可知：當(dāng)大腿兩側(cè)的液壓缸進(jìn)出油液時(shí)，油液在液壓缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，給液壓缸活塞一個(gè)推動(dòng)力，由于液壓缸活塞的上端與髖關(guān)節(jié)導(dǎo)桿相連，力通過活塞傳給髖關(guān)節(jié)導(dǎo)桿作用在髖關(guān)節(jié)平臺(tái)上。由力的相互性可知，髖關(guān)節(jié)平臺(tái)將給大腿一個(gè)反作用力，大腿在反作用力下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　當(dāng)兩側(cè)液壓缸同時(shí)進(jìn)出油液且速度相同時(shí)，帶動(dòng)兩側(cè)的液壓缸活塞同步運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)連桿同步運(yùn)動(dòng)，使大腿實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)。兩側(cè)液壓缸進(jìn)出油液的狀態(tài)不一

72、致時(shí)，兩側(cè)液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)不同步，使大腿產(chǎn)生外展和內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。當(dāng)髖關(guān)節(jié)上部的液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓馬達(dá)的輸出軸帶動(dòng)下面的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大腿的內(nèi)翻和外翻的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.4 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)僅為下肢的行動(dòng)機(jī)構(gòu)，總體機(jī)構(gòu)如圖2.21 所示，inventor條件下裝配效果如圖2.22所示。</p><p&

73、gt;　　圖2.21 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　行動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由足部、踝關(guān)節(jié)、小腿、膝關(guān)節(jié)、大腿、髖關(guān)節(jié)和腰部組成，與人體的結(jié)構(gòu)類似。機(jī)器人高1.10m，材料采用鋁合金5052，所以重量較輕，僅為18kg，共12個(gè)自由度，由分散在大腿和小腿的液壓缸和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。采用液壓驅(qū)動(dòng)是經(jīng)過多重考慮的，液壓驅(qū)動(dòng)可以輸出較大的動(dòng)力和力矩，精度高，設(shè)計(jì)中將液壓缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，符合設(shè)計(jì)的要

74、求。由于機(jī)器人的重量較輕，而液壓缸的輸出力一般都比較大，滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的問題不大，所以采用缸徑為20mm的小型液壓缸，壓力范圍為0.5~1MPa。既滿足了機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)力，又減小了機(jī)構(gòu)體積，減輕了機(jī)器人的總體重量。</p><p>　　圖2.22 機(jī)器人建模圖</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章

75、從人體下肢的結(jié)構(gòu)出發(fā)，完成了對(duì)人體下肢關(guān)節(jié)、自由度及肌肉的分析，結(jié)合上一章對(duì)國(guó)內(nèi)外典型機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析，確定了仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度的配置、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式及外形尺寸。在inventor環(huán)境下，對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與裝配，完成了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為后續(xù)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度分析打下了基礎(chǔ)。</p><p>　　3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬</p><p>　　設(shè)計(jì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的主要目的

76、是使其模仿人類行走，實(shí)現(xiàn)人類的功能。人類的行走為雙足步行，是步行形式中最復(fù)雜的，也是人類與動(dòng)物最明顯的區(qū)別。要使仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)能模擬人類步行，主要方法有：1、通過記錄人類的步行數(shù)據(jù)來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的步態(tài)2、用ZMP穩(wěn)定原則規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的步態(tài)3、通過倒立模型生成機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。 </p><p>　　本文在分析人類步態(tài)的條件下，得到人類行走時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并記錄成曲線，然后在inventor環(huán)境下利

77、用inventor中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)模擬，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.1 行走的運(yùn)動(dòng)模擬</p><p>　　3.1.1 人類的步態(tài)分析</p><p>　　根據(jù)上文中對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可知：仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的各部位比例和重量分布與人類相似，通過對(duì)人類行走的步態(tài)分析，如圖3.1所示，可以得出人

78、類行走時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3.2所示。</p><p><b>　　圖3.1人類步行圖</b></p><p>　　圖3.2 腿部各關(guān)節(jié)曲線圖</p><p>　　3.1.2 運(yùn)動(dòng)模擬</p><p>　　在inventor環(huán)境下，利用inventor 軟件內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。具體

79、方法：在inventor環(huán)境下，將裝配好的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的部件導(dǎo)入到運(yùn)動(dòng)仿真模塊中，自動(dòng)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)連接后，將上文中的關(guān)節(jié)曲線導(dǎo)入機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)曲線中，得出行走的運(yùn)動(dòng)模擬效果，如圖3.3所示，在運(yùn)動(dòng)仿真模塊的輸出圖示器中可得出各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞的位置曲線，如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 行走運(yùn)動(dòng)模擬</p><p>　　圖3.4 液壓缸活塞曲線</p>

80、<p>　　3.2 蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬</p><p>　　蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬與行走的運(yùn)動(dòng)模擬類似，也是通過觀察人類蹲下時(shí)的動(dòng)作，確定蹲下時(shí)腿部各個(gè)關(guān)節(jié)的曲線，如圖3.5所示，在inventor環(huán)境下對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬，模擬結(jié)果如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.5 蹲下時(shí)各關(guān)節(jié)曲線</p><p>　　圖3.6 蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬<

81、/p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬</p><p>　　轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬與上文中對(duì)行走和蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬類似，也是通過分析人類轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)，得出各關(guān)節(jié)的曲線，在inventor環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬，模擬結(jié)果如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬</p><p><b>　　3.4 本章小

82、結(jié)</b></p><p>　　本章在分析人類運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，得出人類運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的隨時(shí)間變化的曲線圖，根據(jù)這些曲線，在inventor環(huán)境下對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行行走、蹲下、轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬，可以看出仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)流暢，運(yùn)動(dòng)性能好。</p><p>　　4 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析</p><p>　　機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析主要是在inventor

83、環(huán)境下，利用inventor軟件中的應(yīng)力分析模塊對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。通過分析幾個(gè)重點(diǎn)承重部位零件的靜態(tài)載荷和運(yùn)動(dòng)載荷，來(lái)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1 靜態(tài)強(qiáng)度分析</p><p>　　靜態(tài)強(qiáng)度分析主要是分析機(jī)器人機(jī)構(gòu)在站立的條件下機(jī)器人下肢零件的受力情況，得出零件的應(yīng)力分析結(jié)果。具體做法是在inventor環(huán)境下利用inventor中的應(yīng)力分析模塊對(duì)關(guān)鍵零件

84、進(jìn)行強(qiáng)度分析。</p><p>　　4.1.1 足部的強(qiáng)度分析</p><p>　　機(jī)器人重18kg，在直立狀態(tài)下每條腿分擔(dān)的重量為9kg。足部零件的材料為鋁合金5052，屈服強(qiáng)度為195MPa，主要受足部以上零件的重力和地面給予的反作用力，利inventor軟件中的應(yīng)力分析模塊對(duì)足部進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 足部的強(qiáng)度分

85、析</p><p>　　從圖中我們可以看出，最大等效應(yīng)力為0.4246MPa，在足部與踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈連接處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的承受極限。</p><p>　　4.1.2 踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈的強(qiáng)度分析</p><p>　　在機(jī)構(gòu)直立狀態(tài)下，踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈主要受上面零件的重量產(chǎn)生的重力和足部給它的反作用力，材料為鋁合金5052，受力情況及分析結(jié)果如圖4.2所示。</p&g

86、t;<p>　　圖4.2虎克鉸鏈強(qiáng)度分析</p><p>　　最大等效應(yīng)力為0.9MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)位置為虎克鉸鏈的兩端及中間的結(jié)合部。</p><p>　　4.1.3 踝關(guān)節(jié)連接器的強(qiáng)度分析</p><p>　　踝關(guān)節(jié)連接器負(fù)責(zé)連接虎克鉸鏈與小腿，主要受上面零件重量產(chǎn)生的重力及虎克鉸鏈的反作用力，材料也是鋁合金5052，受力情況及分析

87、結(jié)果如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 踝關(guān)節(jié)連接器強(qiáng)度分析</p><p>　　最大等效應(yīng)力為4.494MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)部位為零件中部的連接處。</p><p>　　4.2 運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析</p><p>　　運(yùn)動(dòng)載荷強(qiáng)度分析主要在inventor環(huán)境下，對(duì)行走條件下的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)載荷下的

88、強(qiáng)度分析。具體做法：在inventor環(huán)境下，通過上文對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)行走的運(yùn)動(dòng)模擬，在inventor軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊里將運(yùn)動(dòng)模擬得出的運(yùn)動(dòng)載荷輸出到應(yīng)力分析模塊中，然后在應(yīng)力分析模塊里完成零件在運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析。</p><p>　　4.2.1 足部運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析</p><p>　　在inventor環(huán)境下，將足部的運(yùn)動(dòng)載荷導(dǎo)入應(yīng)力分析模塊，足部的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析結(jié)果如圖4.4

89、所示。</p><p>　　圖4.4 足部的運(yùn)動(dòng)載荷強(qiáng)度分析</p><p>　　最大應(yīng)力約為0.72MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)位置為足部前部的足耳。</p><p>　　4.2.2 髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析</p><p>　　髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5髖關(guān)節(jié)虎克鉸

90、鏈運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析</p><p>　　最大等效應(yīng)力約為0.155MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)位置為虎克鉸鏈中部。</p><p>　　4.2.3 髖關(guān)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　髖關(guān)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6 髖關(guān)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析</p><p>　　最大等效應(yīng)力約為0.

91、34MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)位置為髖關(guān)節(jié)平臺(tái)前耳。</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要在inventor環(huán)境下，利用inventor中的應(yīng)力分析模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊，完成了對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)零件的強(qiáng)度分析，主要包括靜態(tài)的強(qiáng)度分析和在運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析，經(jīng)分析得出仿人雙足機(jī)器人的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。</p>

92、;<p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文在分析人體下肢的基礎(chǔ)上，深入研究了仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并完成以下工作：</p><p>　　1、深入分析了人類腿部的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了串聯(lián)加并聯(lián)的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并在inventor環(huán)境下完成了對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的建模及裝配。</p><p>　　2、通過分析人類運(yùn)

93、動(dòng)的特點(diǎn)，得出人類運(yùn)動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)曲線，完成了在inventor環(huán)境下對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬。</p><p>　　3、在inventor環(huán)境下，利用inventor中的應(yīng)力分析模塊，完成了對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析。</p><p><b>　　下一步工作展望：</b></p><p>　　本文對(duì)仿人雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模擬只是一個(gè)初步的

94、運(yùn)動(dòng)性能的檢驗(yàn)，曲線的精確度不高，下一步應(yīng)在對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真、步態(tài)規(guī)劃等方面進(jìn)行深入研究。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]賈丁.仿人機(jī)器人概述，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.北京.2002</p><p>　　[2]譚冠政，朱劍英，尉忠信.國(guó)內(nèi)外雙足步行機(jī)器人的歷史現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).機(jī)器人.199

95、2</p><p>　　[3]戚開誠(chéng).仿人形雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì). 河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2004</p><p>　　[4]劉志遠(yuǎn).兩足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行走研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.1991</p><p>　　[5]謝濤.徐建峰等.仿人機(jī)器人的研究歷史及現(xiàn)狀及展望.機(jī)器人.2002 </p><p>　　[6]芮延年.機(jī)器人技術(shù)及其

96、應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社.2008</p><p>　　[7] K.Nishiwakit，S.Kagamit，Y. Kuniyoshit，M.Inabat，H.Inouet.</p><p>　　Toe Joints that Enhance Bipedal and Fullbody Motion of Humanoid Robots. Proceedings of the 2002 IEEE

97、 Inter Conf on Robotics & Automation Washington.2002</p><p>　　[8] http://world. honda. com/robot/</p><p>　　[9] F. Pfeiffer, K.Loffler, M.Gienger. The Concept of Jogging JOHNNIE . IEEE Inter

98、 Conf on Robotics & Automation Washington . 2002</p><p>　　[10] K. Loffler, M. Gienger, F. Pfeiffer. Sensor and Control Design of a Dynamically Stable Biped Robot. Institute for Applied Mechanics Technica

99、l University of Munich .Germany. 2002</p><p>　　[11]黃真，孔令富，方躍發(fā).并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制.北京機(jī)械工程出版社.1997</p><p>　　[12]楊壯來(lái).人體結(jié)構(gòu)學(xué).北京:高等教育出版社.2004</p><p>　　[13]董華群.正常人體結(jié)構(gòu).北京:高等教育出版社.2004</p>