【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 r 環(huán)境下對(duì)機(jī)器人的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、以及整體機(jī)構(gòu)的裝配。 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。 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。仿人雙足機(jī)器人為了 達(dá)到擬人的效果，首先要求仿人雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)為多自由度機(jī)構(gòu)且自由度分配接近人類腿部的自由度分配。其次要求所設(shè)計(jì)的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外形，各部位的質(zhì)量比與人類接近。本章主要是根據(jù)人類腿部的生理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 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]。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。骨架是一個(gè)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(hù)著人體內(nèi)部的臟器，既堅(jiān)固、輕巧又便于運(yùn)動(dòng)，如圖 圖 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(duì)形成，能活動(dòng)的稱為“活動(dòng)關(guān)節(jié)”，不能活動(dòng)的稱為“不動(dòng)關(guān)節(jié)”，本文這里說(shuō)的關(guān)節(jié)都指活動(dòng)關(guān)節(jié)。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。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，如圖 所示。 2為屈伸運(yùn)動(dòng)、 4為內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)、 6為內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng) 圖 由肌肉組織構(gòu)成的肌肉是人體的動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)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(duì)稱于 人體中軸線。每個(gè)關(guān)節(jié)都有一對(duì)作用相反的肌肉：屈肌和伸肌，如圖 所示 圖 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(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)。如圖 所示 圖 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(jiān)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(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)，如圖 所示。 圖 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。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(jiān)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(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。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(yùn)動(dòng)，如圖 所示。 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，具體結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 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(zhǎng)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(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(zhǎng)伸肌和四長(zhǎng)伸肌，各肌收縮可使足背屈。外側(cè)群有腓骨長(zhǎng)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(zhǎng)屈肌、脛骨后肌和母長(zhǎng)屈肌。 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。所以首先應(yīng)該對(duì)人體腿部的關(guān)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，確定簡(jiǎn)化后的關(guān)節(jié)自由度，以此來(lái)配置仿人雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)的自由度。而后參考人體的尺寸和國(guó)內(nèi)外機(jī)器人機(jī)構(gòu)，確定仿人雙足機(jī)器人的總體尺寸、關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)形式及驅(qū)動(dòng)方式。最后在 inventor 環(huán)境下對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和裝配，完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 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。膝關(guān)節(jié)能做屈和伸、內(nèi)旋和外旋兩組動(dòng)作，但是內(nèi)旋、外旋只能在屈膝時(shí)完成，并且角度很小，可以忽略不計(jì)，認(rèn)為膝關(guān)節(jié)只有 1個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)屈和伸、內(nèi)收和外展兩組動(dòng)作，認(rèn)為有兩個(gè)自由度。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，如圖 所示。 圖 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。根據(jù)第一章對(duì)國(guó)內(nèi)外仿人雙足機(jī)器人機(jī) 構(gòu)現(xiàn)狀的分析，確定本文所設(shè)計(jì)的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)與并聯(lián)結(jié)合的方式。 總體機(jī)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(gè)類似踝關(guān)節(jié)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)與一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)，如圖 所示。 圖 機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu) 機(jī)器人總體尺寸設(shè)計(jì) 對(duì)仿人雙足機(jī)器人的研究正是對(duì)人類自身的研究，人體的構(gòu)造是經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化而形成的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。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。研究人體各部位的比例關(guān)系，對(duì)仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)大有裨益。通過參考人體結(jié)構(gòu)的比例尺寸，如表 所示，確定仿人雙足機(jī)器人的尺寸如下：仿人雙足機(jī)器人的腰寬 ，大腿長(zhǎng) ，小腿長(zhǎng) ，足寬 ，足長(zhǎng)。 表 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)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(lái)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)。同時(shí) 采用 兩根并聯(lián)的剛性導(dǎo)桿連接足部與測(cè)量項(xiàng) 男（ 1860歲） 女（ 1860歲） 5% 50% 45% 5% 50% 45% 大腿長(zhǎng)度 小腿長(zhǎng)度 足寬 小腿，將足部與小腿模擬成兩個(gè)平臺(tái)，如圖 所示。 圖 踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 根據(jù)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 可知，剛性導(dǎo)桿與小腿平臺(tái)的連接為移動(dòng)副（ P），剛性連桿與導(dǎo)桿和足部平臺(tái)的連接都為球面副（ S），小腿平臺(tái)與足部平臺(tái)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(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度 M=d(ng1)+ （ 21） d 為機(jī)構(gòu)的階數(shù)， n 為構(gòu)件數(shù)， g 為運(yùn)動(dòng)副數(shù)， 為第 i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)自由度，即 為虎克鉸鏈的相對(duì)