【正文】 (22) 位為機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)公共約束的數(shù)目[11]。其余兩分支為兩根連桿，每條都由兩個球面副和一個移動副組成，共有七個基本副。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(jī)構(gòu)的分析可知：n=6，g=7。踝關(guān)節(jié)具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計為：踝關(guān)節(jié)由一個虎克鉸鏈、踝關(guān)節(jié)連接器和小腿連接器組成，踝關(guān)節(jié)連接器與足部的兩個足耳通過虎克鉸鏈相連。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。 踝關(guān)節(jié)零件圖 踝關(guān)節(jié)裝配圖，當(dāng)液壓缸進(jìn)出油液時，油液帶動液壓缸的活塞運(yùn)動，由于液壓缸下端與足部剛性連桿相連，足部剛性連桿與足部的后端相連，因此足部剛性連桿在液壓缸活塞的帶動下產(chǎn)生運(yùn)動，推動足部的后端，使足部產(chǎn)生運(yùn)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(yùn)動不同步，使足部產(chǎn)生外翻和內(nèi)翻。 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動簡圖，平面機(jī)構(gòu)的自由度計算公式為： （23）F為平面機(jī)構(gòu)自由度，n為機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)，p5機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目，p4為平面高副的數(shù)目。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。 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖在inventor環(huán)境下對膝關(guān)節(jié)各零件進(jìn)行三維建模。 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(yùn)動，其機(jī)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(jī)構(gòu)與另一個機(jī)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(yùn)動。第二部分為髖關(guān)節(jié)的上部，有一個旋轉(zhuǎn)的自由度，實現(xiàn)內(nèi)旋外旋的運(yùn)動。 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。由力的相互性可知，髖關(guān)節(jié)平臺將給大腿一個反作用力，大腿在反作用力下產(chǎn)生運(yùn)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(yùn)動不同步，使大腿產(chǎn)生外展和內(nèi)收運(yùn)動。 仿人雙足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)僅為下肢的行動機(jī)構(gòu)， 所示。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。由于機(jī)器人的重量較輕，而液壓缸的輸出力一般都比較大，滿足驅(qū)動機(jī)器人機(jī)構(gòu)的問題不大，所以采用缸徑為20mm的小型液壓缸，~1MPa。 機(jī)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析，確定了仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度的配置、結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式及外形尺寸。3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬設(shè)計仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的主要目的是使其模仿人類行走，實現(xiàn)人類的功能。要使仿人雙足機(jī)器人機(jī)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(jī)器人的步態(tài)用ZMP穩(wěn)定原則規(guī)劃機(jī)器人的步態(tài)通過倒立模型生成機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。 行走的運(yùn)動模擬 人類的步態(tài)分析根據(jù)上文中對仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計可知：仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的各部位比例和重量分布與人類相似，通過對人類行走的步態(tài)分析，可以得出人類行走時各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時間的變化規(guī)律。具體方法：在inventor環(huán)境下，將裝配好的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的部件導(dǎo)入到運(yùn)動仿真模塊中，自動轉(zhuǎn)換運(yùn)動連接后，將上文中的關(guān)節(jié)曲線導(dǎo)入機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動曲線中，得出行走的運(yùn)動模擬效果，在運(yùn)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。 蹲下時各關(guān)節(jié)曲線 蹲下的運(yùn)動模擬 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動模擬轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動模擬與上文中對行走和蹲下的運(yùn)動模擬類似，也是通過分析人類轉(zhuǎn)彎時的運(yùn)動，得出各關(guān)節(jié)的曲線，在inventor環(huán)境下的運(yùn)動仿真模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動模擬。4 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)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(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。 靜態(tài)強(qiáng)度分析靜態(tài)強(qiáng)度分析主要是分析機(jī)器人機(jī)構(gòu)在站立的條件下機(jī)器人下肢零件的受力情況，得出零件的應(yīng)力分析結(jié)果。 足部的強(qiáng)度分析機(jī)器人重18kg，在直立狀態(tài)下每條腿分擔(dān)的重量為9kg。 足部的強(qiáng)度分析從圖中我們可以看出，在足部與踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈連接處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的承受極限。，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，危險位置為虎克鉸鏈的兩端及中間的結(jié)合部。 踝關(guān)節(jié)連接器強(qiáng)度分析，低于材料強(qiáng)度極限，危險部位為零件中部的連接處。具體做法：在inventor環(huán)境下，通過上文對仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)行走的運(yùn)動模擬，在inventor軟件中的運(yùn)動仿真模塊里將運(yùn)動模擬得出的運(yùn)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(yùn)動載荷下的強(qiáng)度分析。 足部的運(yùn)動載荷強(qiáng)度分析，低于材料強(qiáng)度極限，危險位置為足部前部的足耳。，低于材料強(qiáng)度極限，危險位置為虎克鉸鏈中部。 髖關(guān)節(jié)平臺運(yùn)動強(qiáng)度分析，低于材料強(qiáng)度極限，危險位置為髖關(guān)節(jié)平臺前耳。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(jī)器人機(jī)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(jī)器人機(jī)構(gòu)，并在inventor環(huán)境下完成了對仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的建模及裝配。在inventor環(huán)境下，利用inventor中的應(yīng)力分析模塊，完成了對仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析。 參 考 文 獻(xiàn)[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。 Automation Washington . 2002[10] K. Loffler, M. Gienger, F. Pfeiffer. Sensor and Control Design of a Dynamically Stable Biped Robot. Institute for Applied Mechanics Technical University of Munich .Germany. 2002[11]黃真，孔令富，[12]:[13]:[14]:[1