【正文】 Automation [8] ://world. honda. /robot/[9] F. Pfeiffer, , . The Concept of Jogging JOHNNIE . IEEE Inter Conf on Robotics amp。下一步工作展望：本文對(duì)仿人雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模擬只是一個(gè)初步的運(yùn)動(dòng)性能的檢驗(yàn)，曲線的精確度不高，下一步應(yīng)在對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真、步態(tài)規(guī)劃等方面進(jìn)行深入研究。通過分析人類運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，得出人類運(yùn)動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)曲線，完成了在inventor環(huán)境下對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬。 本章小結(jié)本章主要在inventor環(huán)境下，利用inventor中的應(yīng)力分析模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊，完成了對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)零件的強(qiáng)度分析，主要包括靜態(tài)的強(qiáng)度分析和在運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析，經(jīng)分析得出仿人雙足機(jī)器人的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 髖關(guān)節(jié)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析。 髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析。 足部運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分析在inventor環(huán)境下，將足部的運(yùn)動(dòng)載荷導(dǎo)入應(yīng)力分析模塊。 運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析運(yùn)動(dòng)載荷強(qiáng)度分析主要在inventor環(huán)境下，對(duì)行走條件下的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)載荷下的強(qiáng)度分析。 踝關(guān)節(jié)連接器的強(qiáng)度分析踝關(guān)節(jié)連接器負(fù)責(zé)連接虎克鉸鏈與小腿，主要受上面零件重量產(chǎn)生的重力及虎克鉸鏈的反作用力，材料也是鋁合金5052。 踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈的強(qiáng)度分析在機(jī)構(gòu)直立狀態(tài)下，踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈主要受上面零件的重量產(chǎn)生的重力和足部給它的反作用力，材料為鋁合金5052。足部零件的材料為鋁合金5052，屈服強(qiáng)度為195MPa，主要受足部以上零件的重力和地面給予的反作用力，利inventor軟件中的應(yīng)力分析模塊對(duì)足部進(jìn)行強(qiáng)度分析。具體做法是在inventor環(huán)境下利用inventor中的應(yīng)力分析模塊對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度分析。通過分析幾個(gè)重點(diǎn)承重部位零件的靜態(tài)載荷和運(yùn)動(dòng)載荷，來檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)。 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬 本章小結(jié)本章在分析人類運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，得出人類運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的隨時(shí)間變化的曲線圖，根據(jù)這些曲線，在inventor環(huán)境下對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行行走、蹲下、轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)模擬，可以看出仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)流暢，運(yùn)動(dòng)性能好。 行走運(yùn)動(dòng)模擬 液壓缸活塞曲線 蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬與行走的運(yùn)動(dòng)模擬類似，也是通過觀察人類蹲下時(shí)的動(dòng)作，確定蹲下時(shí)腿部各個(gè)關(guān)節(jié)的曲線，在inventor環(huán)境下對(duì)仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行蹲下的運(yùn)動(dòng)模擬。 腿部各關(guān)節(jié)曲線圖 運(yùn)動(dòng)模擬在inventor環(huán)境下，利用inventor 軟件內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。 本文在分析人類步態(tài)的條件下，得到人類行走時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并記錄成曲線，然后在inventor環(huán)境下利用inventor中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)模擬，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。人類的行走為雙足步行，是步行形式中最復(fù)雜的，也是人類與動(dòng)物最明顯的區(qū)別。在inventor環(huán)境下，對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與裝配，完成了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為后續(xù)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度分析打下了基礎(chǔ)。既滿足了機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)力，又減小了機(jī)構(gòu)體積，減輕了機(jī)器人的總體重量。采用液壓驅(qū)動(dòng)是經(jīng)過多重考慮的，液壓驅(qū)動(dòng)可以輸出較大的動(dòng)力和力矩，精度高，設(shè)計(jì)中將液壓缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，符合設(shè)計(jì)的要求。 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)行動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由足部、踝關(guān)節(jié)、小腿、膝關(guān)節(jié)、大腿、髖關(guān)節(jié)和腰部組成，與人體的結(jié)構(gòu)類似。當(dāng)髖關(guān)節(jié)上部的液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓馬達(dá)的輸出軸帶動(dòng)下面的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)大腿的內(nèi)翻和外翻的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩側(cè)液壓缸同時(shí)進(jìn)出油液且速度相同時(shí)，帶動(dòng)兩側(cè)的液壓缸活塞同步運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)連桿同步運(yùn)動(dòng)，使大腿實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)。 髖關(guān)節(jié)各零件圖 髖關(guān)節(jié)裝配圖：當(dāng)大腿兩側(cè)的液壓缸進(jìn)出油液時(shí)，油液在液壓缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，給液壓缸活塞一個(gè)推動(dòng)力，由于液壓缸活塞的上端與髖關(guān)節(jié)導(dǎo)桿相連，力通過活塞傳給髖關(guān)節(jié)導(dǎo)桿作用在髖關(guān)節(jié)平臺(tái)上。結(jié)構(gòu)形式為一個(gè)液壓馬達(dá)，馬達(dá)上部固定在機(jī)器人的腰上，馬達(dá)下面的輸出軸與髖關(guān)節(jié)的下部連接。機(jī)構(gòu)形式為一個(gè)倒過來的踝關(guān)節(jié)，主要由髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈、髖關(guān)節(jié)大腿連接器和髖關(guān)節(jié)平臺(tái)構(gòu)成，也是由三個(gè)并聯(lián)分路組成，第一條為髖關(guān)節(jié)平臺(tái)通過虎克鉸鏈與髖關(guān)節(jié)大腿連接器連接的分路，二、三條為大腿前部的液壓缸活塞通過一個(gè)球面連接與髖關(guān)節(jié)連桿連接的分路。 膝關(guān)節(jié)零件圖 膝關(guān)節(jié)裝配圖當(dāng)大腿后部的液壓缸進(jìn)出油液時(shí)，油液帶動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)，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(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小腿的屈伸。液壓缸位于大腿后方，主要負(fù)責(zé)為膝關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，屈伸小腿。從圖中可以得出n=3，p5=4，p4=0，將數(shù)據(jù)帶入公式（23）中得：根據(jù)我們之前的分析可知：導(dǎo)桿為膝關(guān)節(jié)的源動(dòng)件，源動(dòng)件數(shù)為1，等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)，因此膝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)單自由度鉸鏈運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)具體結(jié)構(gòu)為：膝關(guān)節(jié)由小腿膝關(guān)節(jié)連接器和大腿膝關(guān)節(jié)連接器通過一個(gè)螺栓連接構(gòu)成，小腿膝關(guān)節(jié)連接器下端通過四個(gè)螺紋孔與小腿的上端相連，大腿膝關(guān)節(jié)連接器的上端也是通過四個(gè)螺紋孔與大腿的下端相連。 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)根據(jù)上文中腿部自由度的分配，膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)形式為屈伸運(yùn)動(dòng)，因此可將膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為單軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即大腿與小腿之間采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鉸鏈連接來模擬膝關(guān)節(jié)的自由度，采用剛性連桿模擬膝關(guān)節(jié)的肌肉，驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)。兩側(cè)液壓缸同時(shí)進(jìn)出油液且速度相同時(shí)，帶動(dòng)兩側(cè)的液壓缸活塞同步運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)足部的連桿同步運(yùn)動(dòng)，使足部實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)。 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖在inventor環(huán)境下對(duì)踝關(guān)節(jié)的各個(gè)零件進(jìn)行三維建模。小腿連接器下端的定位孔與踝關(guān)節(jié)連接器上端的定位孔通過一個(gè)定位螺栓相連，小腿連接器的上端通過四個(gè)螺紋孔與小腿相連。根據(jù)公式（21）可得：M=d(ng1)+由于機(jī)構(gòu)中連桿有繞自身旋轉(zhuǎn)的局部自由度，所以整體自由度為2，當(dāng)小腿的兩個(gè)導(dǎo)桿作為源動(dòng)力輸入時(shí)，源動(dòng)力的數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目，則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，即兩桿同步移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)，兩桿不同步移動(dòng)時(shí)為踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)。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)