【文章內(nèi)容簡介】 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。如下肢的踝關(guān)節(jié)能作屈和伸、內(nèi)收和外展兩組動作，膝關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)旋和外旋兩組動作，髖關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)收和外展、內(nèi)旋和外旋三組動作。2為屈伸運動、4為內(nèi)收外展運動、6為內(nèi)旋外旋運動由肌肉組織構(gòu)成的肌肉是人體的動力裝置，驅(qū)動著全身的關(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。骨骼肌主要分布于頭、頸、軀干和四肢，絕大部分上呈多層分布，并且對稱于人體中軸線。每個關(guān)節(jié)都有一對作用相反的肌肉：屈肌和伸肌， 下肢骨骼關(guān)節(jié)解剖分析人體下肢關(guān)節(jié)主要有踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，主要骨骼有足骨、腓骨、脛骨、髕骨、股骨和骨盆。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)。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)。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。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)。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構(gòu)成。髖臼內(nèi)只有月狀面被關(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。髖臼橫韌帶橫架在髖臼切跡上，與切跡圍成一孔，有神經(jīng)和血管等通過。關(guān)節(jié)囊很厚而且十分堅韌，上端附著在髖臼的周緣及髖臼橫韌帶，下端前面附著在轉(zhuǎn)子間線，后面附著在轉(zhuǎn)子間脊內(nèi)側(cè)。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。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。圖 下肢肌肉解剖分析下肢肌主要有髖肌、大腿肌和小腿肌。髖肌按其部分可分為髖內(nèi)肌群、髖外肌群。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。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。髖內(nèi)肌群主要是由腰大肌和髂肌組成的髂腰肌。腰大肌被筋膜鞘包裹，主要作用是使髖關(guān)節(jié)前屈和旋外。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)。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。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。股四頭肌特別發(fā)達(dá)，它的4個頭分別為股內(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。大腿內(nèi)側(cè)肌群的作用是使大腿內(nèi)收、內(nèi)旋和外旋。大腿后群肌肉包括股二頭肌、半腱肌及半膜肌，主要作用是屈膝、伸髖和微旋小腿。小腿肌肉群小腿肌肉的數(shù)目較少，但肌肉一般都比較粗大，主要作用是維持人體站立和行走。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。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。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。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。 仿人雙足機器人總體設(shè)計[15] 通過上文中對人體下肢關(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)計出的仿人雙足機器人完全的擬人是不可能的。所以首先應(yīng)該對人體腿部的關(guān)節(jié)進(jìn)行簡化，確定簡化后的關(guān)節(jié)自由度，以此來配置仿人雙足機器人關(guān)節(jié)的自由度。而后參考人體的尺寸和國內(nèi)外機器人機構(gòu)，確定仿人雙足機器人的總體尺寸、關(guān)節(jié)機構(gòu)形式及驅(qū)動方式。最后在inventor環(huán)境下對機器人機構(gòu)進(jìn)行建模和裝配，完成機構(gòu)的設(shè)計。 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(rèn)為髖關(guān)節(jié)有3個自由度。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(rèn)為膝關(guān)節(jié)只有1個自由度。踝關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)屈和伸、內(nèi)收和外展兩組動作，認(rèn)為有兩個自由度。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。 機器人機構(gòu)形式設(shè)計根據(jù)上文的結(jié)論，人體腿部的踝關(guān)節(jié)有2個自由度，膝關(guān)節(jié)有1個自由度，髖關(guān)節(jié)有3個自由度。根據(jù)第一章對國內(nèi)外仿人雙足機器人機構(gòu)現(xiàn)狀的分析，確定本文所設(shè)計的仿人雙足機器人機構(gòu)采用串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的方式。總體機構(gòu)形式為：踝關(guān)節(jié)為并聯(lián)，與膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)串聯(lián)，髖關(guān)節(jié)為一個類似踝關(guān)節(jié)的并聯(lián)機構(gòu)與一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的串聯(lián)。 機構(gòu)總體結(jié)構(gòu) 機器人總體尺寸設(shè)計測量項男（1860歲）女（1860歲）5%50%45%5%50%45%大腿長度小腿長度足寬對仿人雙足機器人的研究正是對人類自身的研究，人體的構(gòu)造是經(jīng)過長期的進(jìn)化而形成的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。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。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。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：，。 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)仿人雙足機器人總體設(shè)計中的自由度分配，踝關(guān)節(jié)有兩個自由度，要求踝關(guān)節(jié)的機構(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)的二自由度運動。同時采用兩根并聯(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平臺。 踝關(guān)節(jié)機構(gòu)簡圖根據(jù)機構(gòu)簡圖可知，剛性導(dǎo)桿與小腿平臺的連接為移動副（P），剛性連桿與導(dǎo)桿和足部平臺的連接都為球面副（S），小腿平臺與足部平臺之間的連接為虎克鉸鏈（T），繞X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)以下公式計算機構(gòu)的自由度M=d(ng1)+ （21）d為機構(gòu)的階數(shù)，n為構(gòu)件數(shù)，g為運動副數(shù)，為第i個運動副的相對自由度，即為虎克鉸鏈的相對自由度，為兩個移動副的相對自由度，為四個球面副的相對自由度。根據(jù)以下公式確定機構(gòu)的階數(shù): (22) 位為機構(gòu)公共約束的數(shù)目，根據(jù)公式（21）可知，要計算空間并聯(lián)機構(gòu)的自由度，關(guān)鍵在于階數(shù)的確定，而階數(shù)