【正文】 共有兩自由度，實現(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展運動。兩側(cè)液壓缸進出油液的狀態(tài)不一致時，兩側(cè)液壓缸活塞的運動不同步，使足部產(chǎn)生外翻和內(nèi)翻。由于分支對小腿平臺無公共約束，根據(jù)公式（21）可得d=6，加上之前對機構(gòu)的分析可知：n=6，g=7。 人體結(jié)構(gòu)尺寸 m 仿人雙足機器人關(guān)節(jié)設(shè)計 踝關(guān)節(jié)設(shè)計踝關(guān)節(jié)為二自由度關(guān)節(jié)，運動形式為屈伸、內(nèi)翻外翻。根據(jù)國內(nèi)外仿人雙足機器人的研究現(xiàn)狀，仿人雙足機器人腿部至少需要12個自由度才能滿足人類腿部的基本功能，即髖關(guān)節(jié)3個自由度、膝關(guān)節(jié)1個自由度、踝關(guān)節(jié)2個自由度。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、趾長屈肌、脛骨后肌和母長屈肌。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。主要運動形式為屈伸運動，屈膝時由于側(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，牽引骨移動位置，實現(xiàn)關(guān)節(jié)的運動，其主要運動形式基本上分為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中的運動仿真模塊和應(yīng)力分析模塊，對機構(gòu)進行運動模擬和強度分析。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)機構(gòu)的優(yōu)點，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)研制的中國第一個真正意義上的仿人機器人BRH通過了驗收。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，可進行需要單手支撐、彎下身去才能完成的操作[6]。與此同時，大洋彼岸的日本早稻田大學(xué)也在機器人專家加藤一郎的帶領(lǐng)下開始研制雙足機器人，1969年WAP1平面行走步行機誕生，機構(gòu)形式為串聯(lián)平面機構(gòu)，共有6個自由度，每條腿有踝、膝、髖三個關(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現(xiàn)，而后牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)邁步。與其他步行機器人相比仿人雙足機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)過不斷進化的結(jié)果。仿人雙足機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作業(yè)。參 考 文 獻 31 緒論 課題研究的意義隨著機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器人的研究上[1]。仿人雙足機器人機構(gòu)是機器人動力學(xué)、運動學(xué)及相關(guān)控制理論研究的理想平臺，力學(xué)及控制領(lǐng)域中的理論、方法經(jīng)常會在對其機構(gòu)的研究中創(chuàng)新[3]。 WABIAN系列機器人日本東京大學(xué)制研的HHH7系列機器人，是完全仿人形的，特別是H7型機器人，重55kg，下肢比一般的雙足機器人多了兩個足趾關(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器人。（2）串聯(lián)機構(gòu)在機構(gòu)形式上為多個空間旋轉(zhuǎn)自由度的串聯(lián)，機構(gòu)形式不夠緊湊，因此帶來了體積和重量上的問題，進而影響機器人的整體性能。要求其機構(gòu)具有體積小，重量輕，外形類人，關(guān)節(jié)功能上實現(xiàn)人體功能，驅(qū)動合理，使機構(gòu)在動作和功能上盡可能的仿人，同時滿足穩(wěn)定性要求，主要工作如下：回顧仿人雙足機器人的發(fā)展歷史，對國內(nèi)外仿人雙足機器人的機構(gòu)形式、驅(qū)動方式、自由度分配、實現(xiàn)功能進行分析對比，確定所要設(shè)計的機器人總體結(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動系，它們在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下對人體起著保護、運動和支持的作用[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，因此踝關(guān)節(jié)可以做足背屈、伸運動，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，主要是髂骨韌帶長而堅韌，位于髖關(guān)節(jié)前面，可限制大腿過度后伸，對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)可以實現(xiàn)屈和伸、內(nèi)收和外展、內(nèi)旋和外旋三組動作，可以認為髖關(guān)節(jié)有3個自由度。為了使設(shè)計的仿人雙足機器人在外形及功能上更加接近于人，對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)境下對踝關(guān)節(jié)的各個零件進行三維建模。液壓缸位于大腿后方，主要負責(zé)為膝關(guān)節(jié)提供動力，屈伸小腿。 髖關(guān)節(jié)各零件圖 髖關(guān)節(jié)裝配圖：當大腿兩側(cè)的液壓缸進出油液時，油液在液壓缸內(nèi)運動，給液壓缸活塞一個推動力，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)平臺上。采用液壓驅(qū)動是經(jīng)過多重考慮的，液壓驅(qū)動可以輸出較大的動力和力矩，精度高，設(shè)計中將液壓缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，符合設(shè)計的要求。 本文在分析人類步態(tài)的條件下，得到人類行走時各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時間的運動規(guī)律，并記錄成曲線，然后在inventor環(huán)境下利用inventor中的運動仿真模塊對機構(gòu)進行簡單的運動模擬，檢驗機構(gòu)的運動性能，進一步優(yōu)化機器人機構(gòu)的設(shè)計。通過分析幾個重點承重部位零件的靜態(tài)載荷和運動載荷，來檢驗機構(gòu)的強度，優(yōu)化設(shè)計。 踝關(guān)節(jié)連接器的強度分析踝關(guān)節(jié)連接器負責(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)平臺運動分析。 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)力分析模塊及運動仿真模塊，完成了對仿人雙足機器人機構(gòu)零件的強度分析，主要包括靜態(tài)的強度分析和在運動載荷下的強度分析，經(jīng)分析得出仿人雙足機器人的強度滿足設(shè)計要求。 運動載荷下的強度分析運動載荷強度分析主要在inventor環(huán)境下，對行走條件下的仿人雙足機器人機構(gòu)的零件進行運動載荷下的強度分析。具體做法是在inventor環(huán)境下利用inventor中的應(yīng)力分析模塊對關(guān)鍵零件進行強度分析。 腿部各關(guān)節(jié)曲線圖 運動模擬在inventor環(huán)境下，利用inventor 軟件內(nèi)部的運動仿真模塊對機器人機構(gòu)進行運動模擬。既滿足了機器人所需的驅(qū)動力，又減小了機構(gòu)體積，減輕了機器人的總體重量。當兩側(cè)液壓缸同時進出油液且速度相同時，帶動兩側(cè)的液壓缸活塞同步運動，活塞帶動髖關(guān)節(jié)連桿同步運動，使大腿實現(xiàn)屈伸運動。