【正文】 參 考 文 獻[1]，[2]譚冠政，朱劍英，[3]. [4][5] [6][7] ，Y. Kuniyoshit，.Toe Joints that Enhance Bipedal and Fullbody Motion of Humanoid Robots. Proceedings of the 2002 IEEE Inter Conf on Robotics amp。結(jié)論本文在分析人體下肢的基礎(chǔ)上，深入研究了仿人雙足機器人機構(gòu)的設(shè)計，并完成以下工作：深入分析了人類腿部的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了串聯(lián)加并聯(lián)的仿人雙足機器人機構(gòu)，并在inventor環(huán)境下完成了對仿人雙足機器人機構(gòu)的建模及裝配。，低于材料強度極限，危險位置為虎克鉸鏈中部。具體做法：在inventor環(huán)境下，通過上文對仿人雙足機器人機構(gòu)行走的運動模擬，在inventor軟件中的運動仿真模塊里將運動模擬得出的運動載荷輸出到應(yīng)力分析模塊中，然后在應(yīng)力分析模塊里完成零件在運動載荷下的強度分析。，遠遠小于材料強度極限，危險位置為虎克鉸鏈的兩端及中間的結(jié)合部。 足部的強度分析機器人重18kg，在直立狀態(tài)下每條腿分擔(dān)的重量為9kg。4 機器人機構(gòu)的強度分析機器人機構(gòu)的強度分析主要是在inventor環(huán)境下，利用inventor軟件中的應(yīng)力分析模塊對機器人機構(gòu)進行強度分析。具體方法：在inventor環(huán)境下，將裝配好的仿人雙足機器人機構(gòu)的部件導(dǎo)入到運動仿真模塊中，自動轉(zhuǎn)換運動連接后，將上文中的關(guān)節(jié)曲線導(dǎo)入機器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動曲線中，得出行走的運動模擬效果，在運動仿真模塊的輸出圖示器中可得出各關(guān)節(jié)驅(qū)動液壓缸活塞的位置曲線。要使仿人雙足機器人機構(gòu)能模擬人類步行，主要方法有：通過記錄人類的步行數(shù)據(jù)來規(guī)劃機器人的步態(tài)用ZMP穩(wěn)定原則規(guī)劃機器人的步態(tài)通過倒立模型生成機器人的步態(tài)規(guī)劃。 機器人建模圖 本章小結(jié)本章從人體下肢的結(jié)構(gòu)出發(fā)，完成了對人體下肢關(guān)節(jié)、自由度及肌肉的分析，結(jié)合上一章對國內(nèi)外典型機器人機構(gòu)的分析，確定了仿人雙足機器人機構(gòu)自由度的配置、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式及外形尺寸。材料采用鋁合金5052，所以重量較輕，僅為18kg，共12個自由度，由分散在大腿和小腿的液壓缸和液壓馬達驅(qū)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，使大腿產(chǎn)生外展和內(nèi)收運動。 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在inventor環(huán)境下對髖關(guān)節(jié)進行建模。 髖關(guān)節(jié)設(shè)計髖關(guān)節(jié)共有三個自由，能實現(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展和內(nèi)旋外旋運動，其機構(gòu)采用串聯(lián)加并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，具體上是一個并聯(lián)機構(gòu)與另一個機構(gòu)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，因此可以將髖關(guān)節(jié)分為兩個部分：第一部分為髖關(guān)節(jié)的下部，共有兩自由度，實現(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展運動。膝關(guān)節(jié)的后方有膝關(guān)節(jié)連桿，下端通過一個螺栓連接固定在小腿的上端，上端與大腿后部的液壓缸活塞相連。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。小腿左右兩側(cè)各有一個液壓缸，負責(zé)給踝關(guān)節(jié)提供動力。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。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)可以通過計算公共約束的數(shù)目來得到，可以通過較新的反螺旋理論來確定機構(gòu)公共約束的數(shù)目[11]。 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。 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)過長期的進化而形成的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。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。最后在inventor環(huán)境下對機器人機構(gòu)進行建模和裝配，完成機構(gòu)的設(shè)計。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。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。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。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。髖肌按其部分可分為髖內(nèi)肌群、髖外肌群。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)。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)。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。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。本章主要是根據(jù)人類腿部的生理結(jié)構(gòu)，設(shè)計仿人雙足機器人機構(gòu)。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。行動機構(gòu)和人一樣有兩條大腿、兩條小腿和兩個足，具有類似人腿功能。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)。 國內(nèi)仿人雙足機器人 仿人雙足機器人機構(gòu)設(shè)計概述根據(jù)上面的國內(nèi)外仿人雙足機器人的研究現(xiàn)狀中我們可以總結(jié)出其機構(gòu)形式主要有以下幾種：多關(guān)節(jié)串聯(lián) 為多數(shù)仿人雙足機器人采用，如HITⅢ、“先行者”和 “匯童”，這類機器人的主要特點是：（1）串聯(lián)的機構(gòu)方式更加形象，由于其機構(gòu)的位置正解比較容易，使得串聯(lián)機構(gòu)在控制上比較成熟，這也是國內(nèi)大多機器人采用串聯(lián)機構(gòu)的原因。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。1995年成研制出HITIH機器人，每條腿共有6個自由度，踝關(guān)節(jié)由兩個正交的電機驅(qū)動。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)。2000年10月ASIMO智能仿人雙足機器人誕生，重52kg，行走速度為0~，驅(qū)動方式為伺服電機和諧波減速器，采用IWALK技術(shù)，它可