【正文】 參 考 文 獻(xiàn) [1]賈丁 .仿人機器人概述，機器人技術(shù)與應(yīng)用 .北京 .2020 [2]譚冠政，朱劍英，尉忠信 .國內(nèi)外雙足步行機器人的歷史現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .機器人 .1992 [3]戚開誠 .仿人形雙足機器人機構(gòu)設(shè)計 . 河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 .2020 [4]劉志遠(yuǎn) .兩足機器人的動態(tài)行走研究 .哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文 .1991 [5]謝濤 .徐建峰等 .仿人機器人的研究歷史及現(xiàn)狀及展望 .機器人 .2020 [6]芮延年 .機器人技術(shù)及其應(yīng)用 .化學(xué)工業(yè)出版社 .2020 [7] ， ， Y. Kuniyoshit， ， . Toe Joints that Enhance Bipedal and Fullbody Motion of Humanoid Robots. Proceedings of the 2020 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。 圖 運動強度分析 最大等效應(yīng)力約為 ，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。 圖 強度分析 最大等效應(yīng)力為 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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，如圖 所示，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，如圖 所示。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。 圖 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。機器人高 ，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(dá)驅(qū)動。兩側(cè)液 壓缸進(jìn)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。 接器 圖 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 在 inventor 環(huán)境下對髖關(guān)節(jié)進(jìn)行建模，髖關(guān)節(jié)各零件如圖 所示，髖關(guān)節(jié)裝配效果如圖 所示。 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(jìn)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(fù)責(zé)給踝關(guān)節(jié)提供動力，液壓缸的活塞即為圖 中的剛性導(dǎo)桿，踝關(guān)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 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) 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]。 表 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。 圖 機構(gòu)總體結(jié)構(gòu) 機器人總體尺寸設(shè)計 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)。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，如圖 所示。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。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)，如圖 所示。每個關(guān)節(jié)都有一對作用相反的肌肉：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。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(jìn)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)。 圖 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。 2020 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)。 2020 年 10 月 ASIMO 智能仿人雙足機器人誕生，它高 ，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)，它可以通過實時預(yù)測下一個動作來提前改變身體 重心 ，因此可以自如的行走，進(jìn)行諸如“ 8”字行走、上下臺階和彎腰等各項“復(fù)雜”動作 [8]。另外，它還具有腿腕協(xié)調(diào)控制功能，可進(jìn)行需要單手支撐、彎下身去才能完成的操作 [6]。 1973 年成功研制出仿人機器人 WABOT1，是一個模仿人類雙足行走的機器人， 1984 年研發(fā)出 WABOT2，這是款可以彈 琴的機器人； 1992 年早稻田大學(xué)制定出仿人機器人研發(fā)計劃，于 1995年研發(fā)出導(dǎo)航機器人 H