本文關鍵詞：具有質量分布特征的仿生雙足完全被動步行機　出處：《吉林大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：主動雙足行走機器人大多存在能耗高、效率低、步態(tài)不自然、控制系統復雜等問題,尤其先進的仿人機器人需要大量的能源,增加了憑借電池存儲能源的困難,嚴重制約其應用發(fā)展前景。人類是直立行走的高級動物,靈巧的運動機構和機敏的運動模式使其成為了雙足行走方面的專家,能夠在各種復雜的環(huán)境中實現穩(wěn)定、高效、自然的行走。在行走方面,人類相比主動機器人具有能量消耗低、行走穩(wěn)定、步態(tài)自然等顯著特點,從而為新型雙足步行機的研制提供了天然的生物模本�；诒粍有凶邉恿W的機器人比主動步行機器人在步態(tài)自然和能量消耗方面均體現出一定的優(yōu)勢,但在步態(tài)和能效方面與人類本身相比還存在著很大的差距。為了充分借鑒大自然賦予人類在行走時所具有的動力學特性,從仿生學角度出發(fā),本文選擇人體下肢作為仿生原型,對具有類似人體下肢質量分布特征的完全被動雙足仿生步行機進行了仿生研究,以期為新型節(jié)能雙足步行機的研制提供重要技術參考。本文利用運動學數據采集裝置記錄了在常速行走過程中人體下肢膝關節(jié)和踝關節(jié)的關節(jié)角度變化規(guī)律,研究發(fā)現,在一個完整的步態(tài)周期內,踝關節(jié)角度的變化范圍為74.14-122.96度,膝關節(jié)角度的變化范圍為115.54-179.53度�；诿绹疤摂M人”數據,通過三維建模軟件Amira建立人體下肢骨骼-肌肉系統三維實體模型;結合解剖學,將骨骼-肌肉模型分割為大腿、小腿、足部三個環(huán)節(jié),基于Solidworks軟件對該模型中的骨骼和肌肉等組織分別賦予相應密度,計算了各組織的質量,并提取了各環(huán)節(jié)的質量、質心坐標、慣性主軸、總體長度等相關數據�；谒崛〉臄祿䦟δ苄泽y關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)及大、小腿和足部的進行了仿生設計�？紤]到肌肉在運動中的功能特性,本文選擇在樣機的膝關節(jié)及踝關節(jié)等處分別添加彈簧等柔性元件,并采用機加工制造出了完全被動仿生步行機的大腿、小腿、髖關節(jié)軸以及連接桿等部件。結合ProJet 5500X多材料3D打印機,選用ABS樹脂材料,打印出了髖關節(jié)軸、髖關節(jié)軸套、髖關節(jié)套筒、膝關節(jié)軸套、軸承套筒、膝關節(jié)軸、踝關節(jié)連接件、踝關節(jié)底座以及足等具有相對復雜結構特征的部件�；谘兄频木哂匈|量分布特征的完全被動雙足步行機,本文基于試驗設計測試了在腿長、大小腿質量比以及腿間距三個因素下完全被動仿生步行機的行走距離和速度,并通過正交試驗得出了影響仿生步行機行走距離和速度的顯著因素,均為腿間距,最優(yōu)組合是腿間距140mm,大小腿質量比3.27,腿長280mm。仿生步行機的最大步幅和步速均出現在最后一步,歷時0.60s,步幅和步速分別為268.00mm、446.67mm/s。本文以人體下肢質量分布特征為仿生設計的切入點,開發(fā)了具有質量分布特征的完全被動仿生雙足步行機,相關結論為新型雙足機器人的開發(fā)與設計提供了新思路,具有重要的參考價值。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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