两足机器人髋关节变刚度柔性驱动装置的仿生研究

摘要

仿人机器人的髋关节是下肢运动系统的中心，是下肢运动链的出发点，其结构、运动和驱动特性对两足行走产生重要影响。本文根据仿生学理论，参照人体髋关节的解剖学结构，设计了一种具有柔性变刚度特性的髋部及其驱动模型，并将其添加到下肢模型中进行了动力学特性的分析研究。　　文中主要包括三个方面的内容:1）初定了髋关节变刚度柔性驱动装置的整体方案，即电机驱动的凸轮-连杆组合机构，中间添加柔性元件和刚度调节装置。模仿人体髋关节的结构和肌肉分布，以人体髋关节角位移-相位曲线为设计目标，依据变刚度原理，对机构中的主要模块分别进行了设计;2）以设计的主要模块为基础，结合前期实验对象的下肢各体段与身高的关系，在Pro/E和ADAMS软件内联合建立了下肢几何模型;3）在ADAMS软件中，通过定义模型的惯性参数、约束和驱动等，创建出下肢动力学模型。设置合理的仿真参数后对模型进行步态仿真，从而获得了髋关节的角位移曲线和力矩曲线。通过与前人所做成果的对比分析，验证了所设计机构的合理性与可行性。给出了凸轮-柔索-弹簧机构的设计结果，并在ANSYS软件中对关键零件进行了静力学强度分析，验证了其可靠性。　　动力学仿真结果表明:凸轮轴转动一周对应一个步态周期，其匀速转动被转变为大腿的准间歇性运动，实现两腿交替动作;柔性元件和变刚度机构的添加改善了输出构件的动力学特性。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外仿人机器人柔性、变刚度驱动的研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 人体髋关节结构、步态理论及变刚度原理

2．1 人体髋关节的解剖学结构

2．1．1 人体运动解剖学的基本术语

2．1．2 人体髋关节结构及其相关骨骼

2．1．3 人体髋关节屈／伸运动的作用肌

2．2 人体步行运动的步态特征

2．2．1 人体步态参数

2．2．2 步行特征参数的描述方法

2．3 变刚度原理

2．3．1 平衡位置变刚度

2．3．2 拮抗变刚度

2．3．3 有效结构变刚度

2．3．4 机构调整变刚度

2．4 小结

第三章 髋关节变刚度柔性驱动装置的仿生设计

3．1 概述

3．2 机构总体设计方案

3．3 主要部件的仿生设计

3．3．1 肌肉模型的仿生设计

3．3．2 凸轮模块的仿生设计

3．3．3 变刚度机构设计

3．4 小结

第四章 下肢的整体建模与仿真分析

4．1 概述

4．2 下肢动力学模型的建立

4．2．1 几何模型的创建与转换

4．2．2 惯性参数的定义

4．2．3 约束的添加

4．2．4 驱动的添加

4．3 动力学仿真及结果分析

4．4 凸轮-柔索-弹簧机构的设计结果

4．5 主要零件的静力学强度分析

4．5．1 材料的选择

4．5．2 零件的静力学强度分析

4．5．3 结果分析

4．6 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况