【正文】 下臺階、和推車等復(fù)雜動作。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]。 早稻田大學(xué)機械工程系研制出的雙腿行走機械裝置WL15采用完全并聯(lián)的腿部結(jié)構(gòu)，腿部由三套并聯(lián)的雙缸機構(gòu)組成，足部由骨盆的六個缸體匯聚而成。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)。 Johnnie和WL15機器人 國內(nèi)仿人雙足機器人研究現(xiàn)狀與國外相比，我國的仿人雙足機器人研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代中期才開始仿人雙足機器人的研究工作，當(dāng)時的主要研究單位有國防科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。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。2000年，中國第一臺仿人雙足機器人“先行者”在國防科技大學(xué)誕生，重20kg，全身共具有17個關(guān)節(jié)，像人類一樣擁有軀體、四肢、頭部，并具備一定的語言功能。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。2005年第三代BRH1“匯童”由北京理工大學(xué)和中科院沈陽自動化所合作研制成功，重63kg，突破了仿人機器人的復(fù)雜動作設(shè)計，腿部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每條腿具有6個自由度。 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。 完全并聯(lián)最典型的就是由早稻田大學(xué)研制的WL15雙足機器人，由于采用完全并聯(lián)的腿部結(jié)構(gòu)，不僅分散了各個缸體承受的載荷，使得機器人腿部的剛度大，相對的承載能力強，還使得逆解運算更加容易[11]。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)。電氣驅(qū)動是利用電動機產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，從而獲得機器人的位置、速度、加速度，過程中沒有能量轉(zhuǎn)換，效率較高，具有無環(huán)境污染、易于控制、運動精度高、成本低等優(yōu)點，其應(yīng)用最廣，主要代表： WABIAN2機器人、H7機器人；液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大、工作平穩(wěn)可靠、精度高、易于控制，主要代表：WL15機器人；氣壓驅(qū)動采用空氣作為介質(zhì)、易于取得、對環(huán)境污染小，能量損失小、反應(yīng)迅速、工作適應(yīng)性好，成本低，主要代表：日本早稻田大學(xué)的WAP1。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。分析了人體下肢的生理結(jié)構(gòu)，主要對踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)進(jìn)行重點分析，確定了仿人雙足機器人機構(gòu)的自由度配置、機構(gòu)形式及驅(qū)動方案。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。仿人雙足機器人為了達(dá)到擬人的效果，首先要求仿人雙足機器人的機構(gòu)為多自由度機構(gòu)且自由度分配接近人類腿部的自由度分配。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)。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。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。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。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。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)。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。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)為多軸性關(guān)節(jié)，能作屈伸、內(nèi)收外展、內(nèi)旋外旋運動。髖肌按其部分可分為髖內(nèi)肌群、髖外肌群。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。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。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。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。大腿內(nèi)側(cè)肌群的作用是使大腿內(nèi)收、內(nèi)旋和外旋。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。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。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。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。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。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。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。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。 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)。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。 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。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。根據(jù)以下公式確定機構(gòu)的階數(shù):