仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-預(yù)覽頁(yè)
【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(jì)第一個(gè)無(wú)纜的雙足機(jī)器人，重210kg，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)自行走、上下臺(tái)階、和推車等復(fù)雜動(dòng)作。 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(jī)構(gòu)組成，足部由骨盆的六個(gè)缸體匯聚而成。 Johnnie和WL15機(jī)器人 國(guó)內(nèi)仿人雙足機(jī)器人研究現(xiàn)狀與國(guó)外相比，我國(guó)的仿人雙足機(jī)器人研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代中期才開(kāi)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)。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，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。2005年第三代BRH1“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，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。 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(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]。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(guò)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(guò)程中沒(méi)有能量轉(zhuǎn)換，效率較高，具有無(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： WABIAN2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：WL15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WAP1。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。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。人體共有二百余塊骨骼，骨骼與骨骼之間通過(guò)筋腱和軟骨連接在一起，構(gòu)成了人體的骨架。2為屈伸運(yùn)動(dòng)、4為內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)、6為內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)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。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?tīng)蠲姹魂P(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(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)伸肌和四長(zhǎng)伸肌，各肌收縮可使足背屈。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)自由度，以此來(lái)配置仿人雙足機(jī)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(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。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。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。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)。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。踝關(guān)節(jié)具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為：踝關(guān)節(jié)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(guò)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(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)。 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為： （23）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。 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖在inventor環(huán)境下對(duì)膝關(guān)節(jié)各零件進(jìn)行三維建模。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)。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)。 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)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)， 所示。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(wèn)題不大，所以采用缸徑為20mm的小型液壓缸，~1MPa。3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)計(jì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的主要目的是使其模仿人類行走，實(shí)現(xiàn)人類的功能。 行走的運(yùn)動(dòng)模擬 人類的步態(tài)分析根據(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(guò)對(duì)人類行走的步態(tài)分析，可以得出人類行走時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化規(guī)律。 蹲下時(shí)各關(guān)節(jié)曲線 蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬轉(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(guò)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。 靜態(tài)強(qiáng)度分析靜態(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。 足部的強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的承受極限。 踝關(guān)節(jié)連接器強(qiáng)度分析，低于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)部位為零件中部的連接處。 足部的運(yùn)動(dòng)載荷強(qiáng)度分析，低于材料強(qiáng)度極限，危險(xiǎn)位置為足部前部的足耳。 髖關(guān)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析，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。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。 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
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