【正文】 器人，它可以躺下也可以起立。P2于1996年12月研制成功，是上世紀第一個無纜的雙足機器人，重210kg，可以實現(xiàn)獨自行走、上下臺階、和推車等復(fù)雜動作。 早稻田大學(xué)機械工程系研制出的雙腿行走機械裝置WL15采用完全并聯(lián)的腿部結(jié)構(gòu)，腿部由三套并聯(lián)的雙缸機構(gòu)組成，足部由骨盆的六個缸體匯聚而成。 Johnnie和WL15機器人 國內(nèi)仿人雙足機器人研究現(xiàn)狀與國外相比，我國的仿人雙足機器人研究起步較晚，直到20世紀80年代中期才開始仿人雙足機器人的研究工作，當(dāng)時的主要研究單位有國防科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。2000年，中國第一臺仿人雙足機器人“先行者”在國防科技大學(xué)誕生，重20kg，全身共具有17個關(guān)節(jié)，像人類一樣擁有軀體、四肢、頭部，并具備一定的語言功能。2005年第三代BRH1“匯童”由北京理工大學(xué)和中科院沈陽自動化所合作研制成功，重63kg，突破了仿人機器人的復(fù)雜動作設(shè)計，腿部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每條腿具有6個自由度。 完全并聯(lián)最典型的就是由早稻田大學(xué)研制的WL15雙足機器人，由于采用完全并聯(lián)的腿部結(jié)構(gòu)，不僅分散了各個缸體承受的載荷，使得機器人腿部的剛度大，相對的承載能力強，還使得逆解運算更加容易[11]。電氣驅(qū)動是利用電動機產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，從而獲得機器人的位置、速度、加速度，過程中沒有能量轉(zhuǎn)換，效率較高，具有無環(huán)境污染、易于控制、運動精度高、成本低等優(yōu)點，其應(yīng)用最廣，主要代表： WABIAN2機器人、H7機器人；液壓驅(qū)動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：WL15機器人；氣壓驅(qū)動采用空氣作為介質(zhì)、易于取得、對環(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WAP1。分析了人體下肢的生理結(jié)構(gòu)，主要對踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)進行重點分析，確定了仿人雙足機器人機構(gòu)的自由度配置、機構(gòu)形式及驅(qū)動方案。仿人雙足機器人為了達到擬人的效果，首先要求仿人雙足機器人的機構(gòu)為多自由度機構(gòu)且自由度分配接近人類腿部的自由度分配。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。2為屈伸運動、4為內(nèi)收外展運動、6為內(nèi)旋外旋運動由肌肉組織構(gòu)成的肌肉是人體的動力裝置，驅(qū)動著全身的關(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。膝關(guān)節(jié)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)。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)旋外旋運動。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，髖肌 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。大腿肌大腿肌分為前群、內(nèi)群和后群，分別位于股部前面、內(nèi)側(cè)面和后面。大腿內(nèi)側(cè)肌群的作用是使大腿內(nèi)收、內(nèi)旋和外旋。前群有脛骨前肌、趾長伸肌和四長伸肌，各肌收縮可使足背屈。所以首先應(yīng)該對人體腿部的關(guān)節(jié)進行簡化，確定簡化后的關(guān)節(jié)自由度，以此來配置仿人雙足機器人關(guān)節(jié)的自由度。膝關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)旋和外旋兩組動作，但是內(nèi)旋、外旋只能在屈膝時完成，并且角度很小，可以忽略不計，認為膝關(guān)節(jié)只有1個自由度。根據(jù)第一章對國內(nèi)外仿人雙足機器人機構(gòu)現(xiàn)狀的分析，確定本文所設(shè)計的仿人雙足機器人機構(gòu)采用串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的方式。研究人體各部位的比例關(guān)系，對仿人雙足機器人的設(shè)計大有裨益。同時采用兩根并聯(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平臺。其余兩分支為兩根連桿，每條都由兩個球面副和一個移動副組成，共有七個基本副。踝關(guān)節(jié)具體的機構(gòu)設(shè)計為：踝關(guān)節(jié)由一個虎克鉸鏈、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足耳通過虎克鉸鏈相連。 踝關(guān)節(jié)零件圖 踝關(guān)節(jié)裝配圖，當(dāng)液壓缸進出油液時，油液帶動液壓缸的活塞運動，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下產(chǎn)生運動，推動足部的后端，使足部產(chǎn)生運動。 膝關(guān)節(jié)運動簡圖，平面機構(gòu)的自由度計算公式為： （23）F為平面機構(gòu)自由度，n為機構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)，p5機構(gòu)中低副的數(shù)目，p4為平面高副的數(shù)目。 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖在inventor環(huán)境下對膝關(guān)節(jié)各零件進行三維建模。第二部分為髖關(guān)節(jié)的上部，有一個旋轉(zhuǎn)的自由度，實現(xiàn)內(nèi)旋外旋的運動。由力的相互性可知，髖關(guān)節(jié)平臺將給大腿一個反作用力，大腿在反作用力下產(chǎn)生運動。 仿人雙足機器人總體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的仿人雙足機器人機構(gòu)僅為下肢的行動機構(gòu)， 所示。由于機器人的重量較輕，而液壓缸的輸出力一般都比較大，滿足驅(qū)動機器人機構(gòu)的問題不大，所以采用缸徑為20mm的小型液壓缸，~1MPa。3 機器人機構(gòu)的運動模擬設(shè)計仿人雙足機器人機構(gòu)的主要目的是使其模仿人類行走，實現(xiàn)人類的功能。 行走的運動模擬 人類的步態(tài)分析根據(jù)上文中對仿人雙足機器人機構(gòu)的設(shè)計可知：仿人雙足機器人機構(gòu)的各部位比例和重量分布與人類相似，通過對人類行走的步態(tài)分析，可以得出人類行走時各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時間的變化規(guī)律。 蹲下時各關(guān)節(jié)曲線 蹲下的運動模擬 轉(zhuǎn)彎的運動模擬轉(zhuǎn)彎的運動模擬與上文中對行走和蹲下的運動模擬類似，也是通過分析人類轉(zhuǎn)彎時的運動，得出各關(guān)節(jié)的曲線，在inventor環(huán)境下的運動仿真模塊對機構(gòu)進行轉(zhuǎn)彎的運動模擬。 靜態(tài)強度分析靜態(tài)強度分析主要是分析機器人機構(gòu)在站立的條件下機器人下肢零件的受力情況，得出零件的應(yīng)力分析結(jié)果。 足部的強度分析從圖中我們可以看出，在足部與踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈連接處，遠遠低于材料的承受極限。 踝關(guān)節(jié)連接器強度分析，低于材料強度極限，危險部位為零件中部的連接處。 足部的運動載荷強度分析，低于材料強度極限，危險位置為足部前部的足耳。 髖關(guān)節(jié)平臺運動強度分析，低于材料強度極限，危險位置為髖關(guān)節(jié)平臺前耳。在inventor環(huán)境下，利用inventor中的應(yīng)力分析模塊，完成了對仿人雙足機器人機構(gòu)的強度分析。 Automation Washington . 2002[10] K. Loffler, M. Gienger, F. Pfeiffer. Sensor and Control Design of a Dynamically Stable Biped Robot. Institute for Applied Mechanics Technical University of Munich .Germany. 2002[11]黃真，孔令富，[12]:[13]:[14]:[1