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(存儲(chǔ)版)
【正文】 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：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。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。 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)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。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。 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬 本章小結(jié)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。 踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈的強(qiáng)度分析在機(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。 髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析。下一步工作展望：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。通過分析人類運(yùn)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。 足部運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析在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。 行走運(yùn)動(dòng)模擬 液壓缸活塞曲線 蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬蹲下的運(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，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。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)。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)。機(jī)構(gòu)形式為一個(gè)倒過來的踝關(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。 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)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)。根據(jù)公式（21）可得：M=d(ng1)+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)。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)。 機(jī)器人機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)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。 仿人雙足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)[15] 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。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。髖關(guān)節(jié)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。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。2 仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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。 腿部結(jié)構(gòu)示意圖從仿人雙足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式上來看，主要有電氣驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)。重76kg，全身共32自由度，步速為1km/h。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，重40kg，兩條腿共12個(gè)自由度，通過直流電機(jī)來配合輕質(zhì)齒輪減速器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)[9][10]。 HRP2機(jī)器人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PPP3。但是由于氣體的可壓縮性，該機(jī)器人行走不穩(wěn)定。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)：(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)上下臺(tái)階、通過崎嶇路面等復(fù)雜動(dòng)作。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)及驅(qū)動(dòng)形式。s. Characteristics of humanoid biped robot is the biggest biped walking, so its high flexibility, can replace human do dangerous work.This paper reviews the development 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 based on inventor, pleted 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 organization, and further optimize the mechanism design.Keywords Humanoid biped rob
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