【正文】 膝關(guān)節(jié)零件圖 膝關(guān)節(jié)裝配圖當大腿后部的液壓缸進出油液時，油液帶動液壓缸活塞運動，由于液壓缸活塞下端與膝關(guān)節(jié)連桿的上端相連，因此膝關(guān)節(jié)連桿在活塞的帶動下產(chǎn)生運動，從而帶動小腿運動，實現(xiàn)小腿的屈伸。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，活塞帶動足部的連桿同步運動，使足部實現(xiàn)屈伸運動。第一條分支的螺旋表示為：$1： $1： 反螺旋表示為：$r1： $r2： $r3： $r4：其余兩條分支的螺旋表示為$1： $2： $3： $4： $5：1 0 0；0 a5 b5） $6：0 1 0；a6 0 b6） $7：0 0 1；a7 b7 0） 從上式可以看出其余兩條分支反螺旋數(shù)目為0，因而對小腿平臺沒有約束，第一分支對小腿平臺有四個約束，分別是沿X、Y、Z軸向的移動、繞Y軸線的轉(zhuǎn)動。通過參考人體結(jié)構(gòu)的比例尺寸，確定仿人雙足機器人的尺寸如下：。踝關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)屈和伸、內(nèi)收和外展兩組動作，認為有兩個自由度。外側(cè)群有腓骨長肌和腓骨短肌，皆起于腓骨外側(cè)，主要作用是使足外翻，支撐足弓。大腿前側(cè)肌群的縫匠肌呈扁帶狀，是人體最長的肌，是大腿前側(cè)肌群和內(nèi)側(cè)肌群外形上的分界線。圖 下肢肌肉解剖分析下肢肌主要有髖肌、大腿肌和小腿肌。膝關(guān)節(jié)為滑車關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)囊堅韌，韌帶較多，囊內(nèi)韌帶為前、后交叉韌帶，囊外韌帶有前方的髕韌帶，內(nèi)側(cè)的脛側(cè)副韌帶，外側(cè)的腓側(cè)副韌帶等。骨架是一個完整的系統(tǒng)，是人體其他系統(tǒng)的基礎(chǔ)，支撐著人類的軀體、保護著人體內(nèi)部的臟器，既堅固、輕巧又便于運動，人體的關(guān)節(jié)是指骨與骨之間有腔隙的骨連結(jié)，一般由相接的兩骨相對形成，能活動的稱為“活動關(guān)節(jié)”，不能活動的稱為“不動關(guān)節(jié)”，本文這里說的關(guān)節(jié)都指活動關(guān)節(jié)。設(shè)計仿人雙足機器人的機械結(jié)構(gòu)，在inventor環(huán)境下對機器人的零件進行設(shè)計、建模、以及整體機構(gòu)的裝配。這種結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)雙足步行，但是由于缺少膝關(guān)節(jié)，不僅使得機器人的步態(tài)無法擬人而且步幅較小。腿部為串聯(lián)機構(gòu)，通過電機經(jīng)諧波減速驅(qū)動關(guān)節(jié)，從而實現(xiàn)機器人的動作。相比傳統(tǒng)的雙足機器人腿部機構(gòu)來說，它的執(zhí)行元件承受的負載要更小，相對負載能力更強。HRP3機器人為防塵防水構(gòu)造，在易滑的冰面上。 國內(nèi)外仿人雙足機器人發(fā)展現(xiàn)狀 國外仿人雙足機器人研究現(xiàn)狀最早在1968年的英國，Mosher. R試制了一臺只有髖和踝兩個關(guān)節(jié)的操作型雙足步行機器人“Rig”，操作者依靠力來反饋感覺保持機器平衡，這種主從式的機械裝置可以算的上是雙足步行機器人的雛形[4]。正如著名的機器人專家，日本的加藤一朗教授說的那樣“步行功能應(yīng)當是機器人所具備的最大特征之一 [2]”。仿人雙足機器人機構(gòu)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計中文摘要仿人雙足機器人是機器人研究的前沿領(lǐng)域，是多種科技的結(jié)合，代表一個國家的技術(shù)水平。仿人雙足機器人融合了多種學(xué)科、高新技術(shù)于一身，不僅代表了機器人研究領(lǐng)域的尖端技術(shù)，也反映了一個國家的科技水平，因此各個國家都投入巨資開展研究。不僅如此在研究仿人雙足機器人機構(gòu)的過程中還能對周邊的學(xué)科—如仿生學(xué)、人工智能等產(chǎn)生推動作用，促進其發(fā)展。 川田工業(yè)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所及川崎重工業(yè)聯(lián)合試制出HRP系列類人機器人，HRP2是第一個具有人類外形尺寸的機器人，它可以躺下也可以起立。 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。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。 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]。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。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。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。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。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。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。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。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)零件圖 踝關(guān)節(jié)裝配圖，當液壓缸進出油液時，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)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。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。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。 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。 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。 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。 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。 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