仿人双足机器人机构设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

仿人双足机器人机构设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

r 环境下对机器人的零件进行设计、建模、以及整体机构的装配。 在 inventor 环境下利用 inventor 中的运动仿真模块和应力 分析模块，对机构进行运动模拟和强度分析。 2 仿人双足机器人机构设计 仿人双足机器人的机构设计是有关仿人双足机器人一切研究的基础和载体，是仿人双足机器人最基本的构成。 仿人双足机器人为了 达到拟人的效果，首先要求仿人双足机器人的机构为多自由度机构且自由度分配接近人类腿部的自由度分配。 其次要求所设计的仿人双足机器人机构的外形，各部位的质量比与人类接近。 本章主要是根据人类腿部的生理结构，设计仿人双足机器人机构。 人体下肢分析 [12][13] 骨、骨连结和骨骼肌共同组成生物体运动系，它们在神经系统的控制下对人体起着保护、运动和支持的作用 [14]。 人体共有二百余块骨骼，骨骼与骨骼之间通过筋腱和软骨连接在一起，构成了人体的骨架。 骨架是一个完整的系统，是人体其他系统的基础，支撑着人类的躯体、保护着人体内部的脏器，既坚固、轻巧又便于运动，如图 图 人体的关节是指骨与骨之间有腔隙的骨连结，一般由相接的两骨相对形成，能活动的称为“活动关节”，不能活动的称为“不动关节”，本文这里说的关节都指活动关节。 附于骨骼上的骨骼肌收缩时，牵引骨移动位置，实现关节的运动，其主要运动形式基本上分为 3种：屈和伸、内收 (关节靠近身体中线 )和外展 (关节离开身体中线 )、内旋和外旋。 如下肢的踝关节能作屈和伸、内收和外展两组动作，膝关节能做屈和伸、内旋和外旋两组动作，髋关节能做屈和伸、内收和外展、内 旋和外旋三组动作，如图 所示。 2为屈伸运动、 4为内收外展运动、 6为内旋外旋运动 图 由肌肉组织构成的肌肉是人体的动力装置，驱动着全身的关节，按结构和功能可分为平滑肌、心肌和骨骼肌，这里主要介绍骨骼肌。 骨骼肌主要分布于头、颈、躯干和四肢， 绝大部分上呈多层分布，并且对称于 人体中轴线。 每个关节都有一对作用相反的肌肉：屈肌和伸肌，如图 所示 图 下肢骨骼关节解剖分析 人体下肢关节主要有踝关节、膝关节和髋关节，主要骨骼有足骨、腓骨、胫骨、髌骨、股骨和骨盆。 踝关节 胫、腓骨下端的关节面及距骨滑车构成踝关节，特点是 ：关节面前宽后窄，关节囊前后松弛，两侧有侧副韧带加强 ，因此踝关节可以做足背屈、伸运动，也可以在较小范围内外翻转。 如图 所示 图 膝关节 膝关节由股骨内、外侧髁、胫骨内、外侧髁和髌骨组成，两髁下端的关节面接合径骨上端的关节面，中央放置髌骨，形成为膝关节。 膝关节为滑车关节，关节囊坚韧，韧带较多，囊内韧带为前、后交叉韧带，囊外韧带有前 方的髌韧带，内侧的胫侧副韧带，外侧的腓侧副韧带 等。 主要运动形式为屈伸运动，屈膝时由于侧副韧带松弛，可以稍微旋转，如图 所示。 图 髋关节 髋关节属于杵臼关节，由股骨头和髋臼相对构成。 髋臼内只有月状面被关节软骨包裹，在髋臼的边缘附着着关节盂，加深关节窝的深度。 髋臼横韧带横架在髋臼切迹上，与切迹围成一孔，有神经和血管等通过。 关节囊很厚而且十分坚韧，上端附着在髋臼的周缘及髋臼横韧带，下端前面附着在转子间线，后面附着在转子间脊内侧。 髋关节四周有韧带加强，主要是髂骨韧带长而坚韧，位于髋关节前面，可限制大腿过度后伸，对维持人体直立有重要意义。 髋关节为多轴性关节，能作屈伸、内收外展、内旋外旋运动，如图 所示。 图 下肢肌肉解剖分析 下肢肌主要有髋肌、大腿肌和小腿肌。 髋肌按其部分可分为髋内肌群、髋外肌群。 大腿肌可分为前群、内群和后群，分别位于股部的前面、内侧面和后面。 小腿肌也可分为三群：前群位于骨间膜的前面，后群位于骨间膜的后面，外侧群位于腓骨的外侧面，具体结构如图 所示 图 髋肌 髋肌起自躯干骨和骨盆止于股骨，包绕着髋关节的四周，可分为髋内肌群、髋外肌群。 髋内肌群主要是 由腰大肌和髂肌组成的髂腰肌。 腰大肌被筋膜鞘包裹，主要作用是使髋关节前屈和旋外。 主要位于臀部的髋外肌群由 臀大肌 、臀中肌、臀小肌和梨状肌等构成，主要作用是屈伸髋关节。 大腿肌 大腿肌分为前群、内群和后群，分别位于股部前面、内侧面和后面。 大腿前侧肌群的缝匠肌呈扁带状，是人体最长的肌，是大腿前侧肌群和内侧肌群外形上的分界线。 股四头肌构成了大腿的前侧体积，是人体中 体积最大的肌。 股四头肌特别发达，它的 4个头分别为股内侧肌、股中间肌、股外侧肌和股直肌，主要作用伸直小腿和辅助屈大腿。 大腿内侧肌群的作用是使大腿内收、内旋和外旋。 大腿后群肌肉包括股二头肌、半腱肌及半膜肌，主要作用是屈膝、伸髋和微旋小腿。 小腿肌肉群 小腿肌肉的数目较少 ，但肌肉一般都比较粗大，主要作用是维持人体站立和行走。 小腿肌可分为三群：前群在骨间膜的前面，外侧群在腓骨的外侧面，后群在骨间膜的后面。 前群有胫骨前肌、趾长伸肌和四长伸肌，各肌收缩可使足背屈。 外侧群有腓骨长肌和腓骨短肌，皆起于腓骨外侧，主要作用是使足外翻，支撑足弓。 后群分浅、深两层，共有七块肌肉，分别为腓肠肌、跖肌、比目鱼肌、腘肌、趾长屈肌、胫骨后肌和母长屈肌。 仿人双足机器人总体设计 [15] 通过上文中对人体下肢关节和肌肉的分析可以得出：人体下肢的关节结构复杂，肌肉连接的样式繁多，要使设计出的仿人双足机器人完全的拟人是不可能的。 所以首先应该对人体腿部的关节进行简化，确定简化后的关节自由度，以此来配置仿人双足机器人关节的自由度。 而后参考人体的尺寸和国内外机器人机构，确定仿人双足机器人的总体尺寸、关节机构形式及驱动方式。 最后在 inventor 环境下对机器人机构进行建模和装配，完成机构的设计。 机器人腿部自由度分配 根据上文的人体结构分析可知：髋关节可以实现屈和伸、内收和外展、内旋和外旋三 组动作，可以认为髋关节有 3个自由度。 膝关节能做屈和伸、内旋和外旋两组动作，但是内旋、外旋只能在屈膝时完成，并且角度很小，可以忽略不计，认为膝关节只有 1个自由度。 踝关节可以实现屈和伸、内收和外展两组动作，认为有两个自由度。 根据国内外仿人双足机器人的研究现状，仿人双足机器人腿部至少需要 12 个自由度才能满足人类腿部的基本功能，即髋关节 3 个自由度、膝关节 1个自由度、踝关节 2个自由度，如图 所示。 图 机器人 机构形式 设计 根据上文的结论，人体腿部的踝关节有 2 个自由度， 膝关节有 1个自由度，髋关节有 3个自由度。 根据第一章对国内外仿人双足机器人机 构现状的分析，确定本文所设计的仿人双足机器人机构采用串联与并联结合的方式。 总体机构形式为：踝关节为并联 ，与膝关节和髋关节串联，髋关节为一个类似踝关节的并联机构与一个旋转机构的串联，如图 所示。 图 机构总体结构 机器人总体尺寸设计 对仿人双足机器人的研究正是对人类自身的研究，人体的构造是经过长期的进化而形成的最优结构。 为了使设计的仿人双足机器人在外形及功能上更加接近于人，对人体比例的研究必不可少。 研究人体各部位的比例关系，对仿人双足机器人的设计大有裨益。 通过参考人体结构的比例尺寸，如表 所示，确定仿人双足机器人的尺寸如下：仿人双足机器人的腰宽 ，大腿长 ，小腿长 ，足宽 ，足长。 表 人体结构尺寸 m 仿人双足机器人关节设计 踝关节设计 踝关节为二自由度关节，运动形式为屈伸、内翻外翻。 根据仿人双足机器人总体设计中的自由度分配，踝关节有两个自由度，要求踝关节的机构形式为并联，因此采用虎克铰链来模拟踝关节的二自由度结构，保证踝关节的二自由度运动。 同时 采用 两根并联的刚性导杆连接足部与测量项 男（ 1860岁） 女（ 1860岁） 5% 50% 45% 5% 50% 45% 大腿长度 小腿长度 足宽 小腿，将足部与小腿模拟成两个平台，如图 所示。 图 踝关节机构简图 根据机构简图 可知，刚性导杆与小腿平台的连接为移动副（ P），刚性连杆与导杆和足部平台的连接都为球面副（ S），小腿平台与足部平台之间的连接为虎克铰链（ T），绕 X轴和 Z 轴旋转，可根据以下公式计算机构的自由度 M=d(ng1)+ （ 21） d 为机构的阶数， n 为构件数， g 为运动副数， 为第 i个运动副的相对自由度，即 为虎克铰链的相对。