【《某双足仿生机器人的整体机构设计案例》2700字】

某双足仿生机器人的整体机构设计案例在双足仿生机器人的研究过程中我认为其最为基础也是作为核心的部分是机构设计，这也是任何自主研发的机械中最基本的组成部分。想要让仿生机器人达成模拟人类的效果，关节自由度需要无限近似于人体关节自由度数量以及自由度分配方式。然后就是差不多的外形、各个部件合理的质量比。这一章会主要分析研究人的双腿结构，然后尝试设计放人双足机器人的腿部。1.1双足机器人设计的特点分析有机体的运动系统通常都是有骨骼、连结体和肌肉共同组成的，一切的肢体行动包括支撑躯体保持稳定都是基于神经系统的控制下生效的。从图2-1的人体骨骼构造可以看出，我们体内总共有二百零六块骨骼，两个骨骼间有软骨和筋腱，按照一定的顺序将这些骨骼拼接在一起，这才组成了我们的支撑骨架。骨架作为一套精细而又系统化的系统，是不容易进行创新改变的，也因此骨架在对我们的躯体起到支撑作用的同时还附着有伴生的多种体系像是供血系统等。图2-1人体骨骼构造图骨骼和骨骼之间的连结被叫做骨连接，然后又可以细分成“直接连结”和“间接连结”，而关节因为其内部有隙间腔室所以被划分到了间接连结的骨连接范畴。学者们又将关节分为“活动关节”和“不动关节”。在这篇文章中所涉及到的关节设计分析只会是针对于活动关节。骨骼肌连结在骨骼上，在接收到神经发出的信号后会进行收缩或者扩张，然后牵动关移动，实现整体的运动。如图2-2所表现的那样，主要运动形式可以分为屈伸、收展和旋转三组动作。1，2-屈伸运动；3，4-内收外展运动；5，6-内旋外旋运动图2-2下肢关节运动肌肉由肌肉细胞构成。肌束的收缩动作就是结缔组织和大量肌细胞共同完成的，躯体的动作以及内脏的活动都离不开它。肌肉组织普遍地来讲共有三种。这章只用到骨骼肌相关知识，其大多集中在关节处，用以辅助动作，每个关节都有两组想对分布的骨骼肌，一直保持着一组收缩一组伸展的状态，这样才能使肢体的动作平稳且有力。如图2-3所示，可以简称为屈肌和伸肌。图2-3肘关节屈肌和伸肌示意图1.2双足行走机器人的结构分析双腿最重要的关节是髋、膝和踝关节，主要的骨头有骨盆、脚骨、小腿和大腿骨。1、髋关节髋关节是股骨头和髋臼构成的。其中的半月板被软骨裹着。髋关节的周围由韧带加强，位于髋关节前面，可以防止关节以一个方向过度拉伸，对保证身体的直立十分重要。髋关节的自由度较多，可以多方向运动，如图2-4所示。图2-4髋关节构造及运动2、膝关节如图2-5所示膝关节分为五部分，其中有三种骨质，两种软体组织，有着固定的结合顺序。分类上属于滑车关节，有大量的韧带，整体十分坚韧。常见的运动方式是屈伸运动，而且因为屈膝时的侧边韧带会松弛，所以可以进行一定程度的旋转。图2-5膝关节构造及运动3、踝关节踝关节的特点是前宽后窄，前后关节囊松弛，但是其中副韧带是比较强韧的，因此踝关节才可以作屈伸运动，甚至于进行小范围翻转。如图2-6。图2-6踝关节结构运动1.3双足机器人的设计方案在对人类双腿中的肌肉作用和关节结构剖析之后，我们可以总结出相应的结论，就是肌肉样式繁多，种类复杂，关节结构过于精细，如果想要完全照搬人体的结构来设计机器人的支撑结构的话，是十分困难的，不仅仅是细小零件因为没有标准件需要专门定制的昂贵造价以及所选材料的强度负荷，而且本次设计的目的并非是商业化用途，仅仅用于实践分析双足结构的动作机理，所以我将准备制作的机器人进行了一定程度上的简化，关节活动使用舵机代替，神经信号的传递替换为树莓派编程的电讯号控制。参考国内外机器人成品的尺寸比例，然后在外观以及驱动等部分进行有一定的创新。最终于较为平坦的环境拼装机器人并进行测试。1.3.1机器人腿部自由度分配结合上一章对人类的躯体结构进行的分析可知，髋关节用于旋转、收展、屈伸动作，总体分配给髋关节的自由度只有3个。膝关节可以旋转、屈伸动作，不过只有在屈膝时可以小幅度的旋转，因此忽略不计，分配给膝关节1个自由度，剩下的两个自由度分给踝关节。参考我国和国外的机器人成品可知，腿部至少需要6个自由度才能满足基本活动。结合这些结论，人体腿部的自由度分配已经清晰明了。再回顾第一章的机器人主流设计确定这次设计机构也使用串并结合的方式。细分到单个的结构上后，确立了如图2-7所示的机器人腿部自由度配给。图2-7自由度配置1.3.2机器人总体尺寸设计研究仿真双足机器人之前要先剖析人类自身的构造，人类经过自然进化后结构已经接近完美。因此先要研究透彻人体的相关数据，才能设计出不仅仅是外观像人的机器人。为了便于设计，可以参考人类的身体比例。表2-1人体结构尺寸测量项男（18-60岁）女（18-60岁）5％50％45％5％50％45％大腿长度0.420.460.50.40.440.48小腿长度0.330.370.40.310.340.38足宽0.080.10.10.080.090.1结合上文给出的自由度分配，得到如图2-9所示的关节示意图。图2-9二自由度关节在结构简图中，把导杆和上表面连接作为（P），连杆跟导杆以及下表面连接作为（S），两个平台的连接写作（T），能够绕着除了Y轴以外的其他轴旋转，代入公式计算自由度:M=d（2-1）1.5双足机器人姿态分析人体站立受扰后恢复平衡的实验表明，站立姿态平衡的恢复是多关节协调运动过程，在平衡恢复过程中,髋关节对平衡恢复的贡献最大，膝关节最小，因此本文将大腿和小腿视作一体，并将机器人各组成部分看作由具有质量的刚性杆连接而成，分别将脚掌、大腿和小腿、躯干各视为一杆。这样，就可以将前向平面内具有欠驱动自由度的双足机器人系统看作三关节体操机器人系统，仿人机器人的踝、髋关节分别对应体操机器人的肩、髋关节，并将姿态稳定控制问题转化为垂直向上不稳定平衡点的控制问题，模型如图2-10所示。图2-10双足机器人欠驱动姿态模型表2-3双足机器人模型参数参数长度[m]质量[kg]质心距[m]转动惯量[kg·m2]摩擦力矩系数[N.ms]脚0.210.10.00330.03056腿0.6300.30.90.03056躯干0.6300.30.90.030561.6双足机器人数学模型分析把双足机器人看作是关节连接成的刚体，这样易于建立数学模型。这个过程中主要采用两种理论：欧拉方程和拉格朗日方程[18]。本文采用拉格朗日力学的方法建立三关节双足机器人的动力学模型，也就是基于机器人运动时的能量来进行的。这种方法仅需计算机器人的动能和势能，因而与牛顿的欧拉方程的方法相比更加简洁，而且能够充分反映机器人动力学结构特征[17]。三关节双足机器人的拉格朗日方程为d(2-2)其中，X=θT=（2-2）式（1.2）为系统在广义坐标下的动能；V=（2-3）式（1.3）为系统的势函