【正文】 共有兩自由度，實(shí)現(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展運(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)動(dòng)不同步，使足部產(chǎn)生外翻和內(nèi)翻。由于分支對(duì)小腿平臺(tái)無公共約束，根據(jù)公式（21）可得d=6，加上之前對(duì)機(jī)構(gòu)的分析可知：n=6，g=7。 人體結(jié)構(gòu)尺寸 m 仿人雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)為二自由度關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)形式為屈伸、內(nèi)翻外翻。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。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。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。髖肌按其部分可分為髖內(nèi)肌群、髖外肌群。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)。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)，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。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。串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合并聯(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)。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。但是由于WL15沒有膝關(guān)節(jié)，因此無法完全模擬人類的行走步態(tài)。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]。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WAP1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、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。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。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)。參 考 文 獻(xiàn) 31 緒論 課題研究的意義隨著機(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]。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]。 WABIAN系列機(jī)器人日本東京大學(xué)制研的HHH7系列機(jī)器人，是完全仿人形的，特別是H7型機(jī)器人，重55kg，下肢比一般的雙足機(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]。、P3和ASIMO機(jī)器人。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。（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)，機(jī)構(gòu)形式不夠緊湊，因此帶來了體積和重量上的問題，進(jìn)而影響機(jī)器人的整體性能。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：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。 人體下肢分析[12][13]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]。踝關(guān)節(jié)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)。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。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)。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。 機(jī)器人腿部自由度分配根據(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。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。，第一條分支為虎克鉸鏈，共有兩基本副。 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖在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。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。 髖關(guān)節(jié)各零件圖 髖關(guān)節(jié)裝配圖：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。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)的要求。 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)。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，來檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)。 踝關(guān)節(jié)連接器的強(qiáng)度分析踝關(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。 髖關(guān)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析。 Automation [8] ://world. honda. /robot/[9] F. Pfeiffer, , . The Concept of Jogging JOHNNIE . IEEE Inter Conf on Robotics amp。 本章小結(jié)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。 運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析運(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)載荷下的強(qiáng)度分析。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)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度分析。 腿部各關(guān)節(jié)曲線圖 運(yùn)動(dòng)模擬在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。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。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)。