仿人機器人髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25999仿人機器人髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例概述 1320951.1髖關(guān)節(jié)介紹 1101991.2髖關(guān)節(jié)的解剖 2206502.1典型驅(qū)動元件的控制方法 391342.2關(guān)節(jié)模塊設(shè)計及選擇 4121862.3基于諧波減速器的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計 5298482.3髖關(guān)節(jié)偏航方向連桿機構(gòu)的設(shè)計 8174822.1.1傳動原理 8118732.1.2U型架的剛度和強度計算 912862.1.3電機的選型 1184632.1.4設(shè)計方式 111.1髖關(guān)節(jié)介紹髖關(guān)節(jié)和骨盆連接到人形機器人的腿和上身。自由度的數(shù)量和關(guān)節(jié)處的運動過程會影響仿人機器人的行走穩(wěn)定性，并且其零部件的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響仿人機器人的輸出功率和魯棒性。在傳統(tǒng)的人形機器人設(shè)計中，髖關(guān)節(jié)和骨盆全部由電動機驅(qū)動或以液壓方式向各個方向驅(qū)動。本章對人形機器人的髖關(guān)節(jié)和骨盆采用了電動液壓混合驅(qū)動設(shè)計。髖關(guān)節(jié)在滾動方向上的運動和骨盆在滾動和偏航方向上的運動由伺服電機驅(qū)動，而髖關(guān)節(jié)在偏航方向上的運動由伺服液壓缸驅(qū)動。該設(shè)計可以有效地利用電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動的優(yōu)點來個性化髖關(guān)節(jié)和骨盆，從而滿足髖關(guān)節(jié)和骨盆的性能要求和整合要求。大部分設(shè)計材料為7075鋁合金，強度高，密度低，結(jié)構(gòu)緊湊，耐腐蝕，可以滿足人形機器人髖關(guān)節(jié)和骨盆的強度和質(zhì)量要求。1.2髖關(guān)節(jié)的解剖人體的下肢可分為四個部分：臀部，大腿，小腿和腳。它由骨盆，股骨，脛骨，骨，腓骨等組成，包括對人體運動非常重要的三個關(guān)節(jié)：髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)是人體最大的負重關(guān)節(jié)。它主要由骨盆上的髖臼，股骨近端的股骨頭，圓形韌帶，軟骨和其他軟組織組成。圖2-1顯示了臀部，關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)圖。髖臼位于骨盆側(cè)面的中間，朝下且前外側(cè)。外展角約為40°~47°，前傾角約為4°~20°。它是大致凹入的半球形，半徑約為15-25毫米。它被一層透明的關(guān)節(jié)軟骨所覆蓋，厚度約2mm。圖3-1髖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)圖髖臼窩位于髖臼最深處的中間。表面上沒有軟骨層。取而代之的是，它被哈佛大腺所填充。在關(guān)節(jié)運動期間，隨著關(guān)節(jié)壓力的變化，哈佛腺體會吸入或去除關(guān)節(jié)液，因此關(guān)節(jié)中的壓力始終處于平衡狀態(tài)。髖臼的關(guān)節(jié)表面和曲率半徑非常適合于股骨頭的關(guān)節(jié)表面。股骨頭完全被髖臼包圍，這使得髖關(guān)節(jié)不可能產(chǎn)生平移運動。另外，在髖臼外緣有一圈環(huán)形盂唇，在一定程度上增加了髖臼的寬度和深度，可以容納大部分股骨頭并改善髖臼的內(nèi)部穩(wěn)定性。骨結(jié)構(gòu)的約束性質(zhì)使得髖關(guān)節(jié)很少需要韌帶和軟組織增強。髖關(guān)節(jié)的軟骨主要位于關(guān)節(jié)的前部和側(cè)面，約占關(guān)節(jié)半球的三分之二。在生理負荷的作用下，軟骨可以均勻地轉(zhuǎn)移負荷，擴大關(guān)節(jié)負荷表面，減少接觸應(yīng)力，緩沖沖擊，并在關(guān)節(jié)表面相對運動期間將摩擦和磨損降至最低。軟骨在關(guān)節(jié)中的位置與髖關(guān)節(jié)所承受的負荷以及預(yù)期的關(guān)節(jié)位移的方向一致。髖關(guān)節(jié)具有良好的內(nèi)部穩(wěn)定性和靈活的活動性。它的結(jié)構(gòu)類似于滾珠軸承，可以完成步行，下蹲，跪下和其他運動。髖關(guān)節(jié)的主要活動可分為彎曲延伸，外展內(nèi)收和外旋內(nèi)旋。這三個子運動的運動范圍不相同。矢狀面上的彎曲拉伸運動范圍最大，通常為140°彎曲和15°延伸。與矢狀面相比，髖關(guān)節(jié)在冠狀面和橫截面中的運動范圍較小。外展角范圍是0°~30°，內(nèi)展角范圍是0°~25°，外旋轉(zhuǎn)角范圍是0°~90°，內(nèi)轉(zhuǎn)角范圍為0°~70°。當髖關(guān)節(jié)處于直立位置時，旋轉(zhuǎn)幅度很小，約為45°。2.1典型驅(qū)動元件的控制方法常見的驅(qū)動元件有電機和液壓缸，常見的控制方法有：PID控制、PLC控制、電機控制。但是PID控制原理簡單、適應(yīng)性強、使用方便,在工業(yè)中有著大部分的應(yīng)用。PID參數(shù)整定即通過對Kp、Ki模糊自適應(yīng)PID控制是基于PID控制，它的輸入為誤差E和誤差變化率Ec 圖2-3模糊自適應(yīng)PID控制圖2.2關(guān)節(jié)模塊設(shè)計及選擇分析了仿人機器人的質(zhì)量，結(jié)果是電機占22.7％，傳動設(shè)備占7.9％，由它組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng)占仿人機器人的25％。以前的驅(qū)動系統(tǒng)相對較大且超重。如果合理選擇電動機，傳動部件，傳感器和其他組件，并且接頭設(shè)計輕巧，則可以降低質(zhì)量和組裝難度。仿人機器人具有許多零件和相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。直接在接縫處的輕量化設(shè)計可以減少組裝時間；當所有驅(qū)動系統(tǒng)都靠近關(guān)節(jié)時，模塊化設(shè)計的慣性將高于非模塊化設(shè)計的慣性，降低了模塊化設(shè)計的剛性。模塊化設(shè)計將使機器人的質(zhì)量分布不均，關(guān)節(jié)剛度降低，動態(tài)性能降低等缺點。如果機器人的每個功能都是獨立的，并且結(jié)構(gòu)是模塊化的，則將無法最大程度地提高機器人的動態(tài)性能。組合結(jié)構(gòu)的原理是不對主體結(jié)構(gòu)進行模塊化，并對驅(qū)動器部分進行模塊化。這樣，關(guān)節(jié)處的驅(qū)動器將通過動力選擇電動機和減速器，并根據(jù)空間要求設(shè)計外殼，最后設(shè)計驅(qū)動器模塊。2.3基于諧波減速器的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計根據(jù)現(xiàn)有模型，仿人機器人在矢狀面的簡化圖如圖2-4所示，大腿長L=0.48m,重M1=16kg,小腿長L2=0.46m重M2=4.8kg,上半身質(zhì)心到髖關(guān)節(jié)的高度P圖2-4仿人機器人矢狀面簡化圖髖關(guān)節(jié)在翻滾方向運動時所選的電機型號為QTR-A-105-17-Z,它是一種直流伺服電機，其極限轉(zhuǎn)矩為1.6N.m,峰值轉(zhuǎn)矩為2.4N.m,連續(xù)轉(zhuǎn)矩為1.6N.m,最大轉(zhuǎn)速為3268r/min,重386g;諧波減速器的型號為L目SG-25-160-C-I,減速比i=160:1,啟動、停止時的容許最大轉(zhuǎn)矩為226N.m,平均負載轉(zhuǎn)矩的容許最大值為136N.m,瞬時容許最大轉(zhuǎn)矩368N.m,容許最高輸入轉(zhuǎn)速為5580r/min,容許平均輸入轉(zhuǎn)速為3550r/min,重1.35kg。當電機以最大轉(zhuǎn)速運行，輸出角速度ω和轉(zhuǎn)矩T為：ω=3268÷160×2×π÷60rad/s=2.14rad/s(2-1)T=1.6×160×0.9N.m=230.4N.m(2-2)機器人髖關(guān)節(jié)在翻滾方向的轉(zhuǎn)動慣量相近，由于角加速度與輸出轉(zhuǎn)矩成正比，則在相同的角速度范圍內(nèi)，該驅(qū)動模塊可以提供更大的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和角加速度。如圖2-5所示，為機器人髖關(guān)節(jié)翻滾方向的驅(qū)動。圖2-5機器人髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動仿人機器人骨盆在偏航方向運動的驅(qū)動模塊所選的電機型號為QTR-A-65-25-N,該電機為直流伺服電機，它的極限轉(zhuǎn)矩為1.32N.m,峰值轉(zhuǎn)矩為0.82N.m,連續(xù)轉(zhuǎn)矩為0.74N.m最大轉(zhuǎn)速為3100r/min,重310g;諧波減速器的型號為LHSG-17-120-C-I,減速比120:1,啟動、停止時的容許最大轉(zhuǎn)矩為68N.m,平均負載轉(zhuǎn)矩的容許最大值為52N.m,瞬時容許最大轉(zhuǎn)矩108N.m,容許最高輸入轉(zhuǎn)速為7000r/min,容許平均輸入轉(zhuǎn)速為3450r/min,重0.63kg。當電機以最大轉(zhuǎn)速運行，輸出角速度w可達到的連續(xù)轉(zhuǎn)矩TC和峰值轉(zhuǎn)矩Tω=3100÷120×2×π÷60rad/s=2.71rad/s(2-3)TCTP假設(shè)仿人機器人上半身的轉(zhuǎn)動慣量如圖2-6所示，在相同的角速度范圍內(nèi)，仿人機器人骨盆偏航方向的驅(qū)動模塊能提供更大的轉(zhuǎn)矩，進而產(chǎn)生更大的角加速度，機器人上半身的運動會更加靈敏。圖2-7Lola機器人骨盆在偏航方向的運動角度／角速度／力矩圖如圖2-8所示，仿人機器人骨盆在翻滾方向運動的驅(qū)動模塊為實驗室現(xiàn)有的模塊，電機的型號為RE65的直流伺服電機，諧波減速器模塊中諧波減速器型號為CSD-32-50-2U目編碼器的型號為110518測量電機轉(zhuǎn)動的相對角度，最終允許的最大輸出轉(zhuǎn)速為71.6r/min，允許最大的平均轉(zhuǎn)矩為75N/m，允許最大的瞬時轉(zhuǎn)矩為268N.圖2-8機器人骨盆翻滾方向的驅(qū)動模塊2.3髖關(guān)節(jié)偏航方向連桿機構(gòu)的設(shè)計2.1.1傳動原理為了仿人機器人髖關(guān)節(jié)在偏航方向運動的輸出性能能夠得到保證，并使仿人機器人在空間布局的能夠合理，則在選用伺服液壓缸為驅(qū)動元件，設(shè)計連桿機構(gòu)，將伺服液壓缸的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。圖2-9連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖圖2-9為連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖，以滑塊1為原動件，根據(jù)自由度計算公式F=3n-2PL-PH,為自由度數(shù)，n為活動構(gòu)件總數(shù)，PH為低副數(shù)，PL為高副數(shù)，這里n=5,PL=7,Px2根據(jù)公式（2-6）可以得出：α=arctan由公式(2-7)可以算出：當a=106,b=132,c=186,j=?6.8,k=182.5時x=38.6,a=π3,x=122.2,a=π當a=82.6,b=98.6,c=151.4,j=8.2,k=152.6時x=?34.8,a=π3,x=—126.8,a=—π2.1.2U型架的剛度和強度計算在人形機器人中，腿部是機器人所承受力矩最大的部位，而在腿部承受壓力最大的要屬腳底板上的U型架。在U型架連接腳底板與舵機承受的彎矩最大，所以這段可以看作一段簡支梁。一根簡支梁長1m，梁的自重為Q1；鋁合金的等級與規(guī)格（f,fV），Ix，IxSx，Tq1q如圖2-8U型架：由于U型架是豎直放置的，所以自重q1計算梁自重產(chǎn)生的彎矩為：=0外荷載產(chǎn)生的最大彎矩為：(1)總彎矩為：（2）驗算彎曲正應(yīng)力：（3）驗算支座處最大剪力：剪應(yīng)力：＜經(jīng)過計算，以及機器人所需的剛度和強度得知U型架可用鋁合金材料，經(jīng)校核，U型架能達到設(shè)計標準。2.1.3電機的選型設(shè)計的設(shè)備要求很高的位置精度和可控性，伺服電動機可以控制速度和位置精度，并且可以將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和速度。電動機的轉(zhuǎn)子速度由輸入信號控制，需要快速反應(yīng)。在控制系統(tǒng)中，它用作制動器，并將接收到的電信號轉(zhuǎn)換為在電機軸上輸出的角位移或角速度。伺服電機的優(yōu)點是：起動轉(zhuǎn)矩大，也就是說，當定子具有控制電壓時，轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)。具有啟動快，靈敏度高的特點，可以提高設(shè)備的速度和精度。調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，可實現(xiàn)大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)，設(shè)備運行平穩(wěn)；沒有自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。伺服電機體積小，效率高，噪聲低，過載能力強，可靠性好等也是選擇伺服電機作為設(shè)備驅(qū)動源的原因。選擇電動機速度為3000r，減速比為100：1。連桿軸的轉(zhuǎn)速為30r/min，相對較低，可以滿足要求。根據(jù)材料和尺寸，可以獲得每個部分的質(zhì)量m，并且可以獲得負載力矩。TTL2T電機軸上的負載力矩計算：T轉(zhuǎn)動慣量：j轉(zhuǎn)動功率：P=T傳動總效率為四個軸承的傳動效率之積。軸承效率取0.98，總效率v=0.86電機工作所需功率P=12W。伺服電機減速機具有高剛性、高精度、高傳動效率、高扭矩和終身免維護等特點。2.1.4設(shè)計方式如圖2-9所示，左側(cè)的連桿機構(gòu)的運動原理與右側(cè)的連桿機構(gòu)相同?；瑝K和導(dǎo)軌對應(yīng)于圖中的桿，而轉(zhuǎn)盤對應(yīng)于連接桿和框架的餃子鏈。桿通過鉸鏈與連接部件連接。連接件分別固定地連接到相應(yīng)的滑塊。液壓缸中的液壓桿推動滑塊的運動。轉(zhuǎn)盤與大腿連接，實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)在偏航方向上的旋轉(zhuǎn)。桿的長度為a=108.6，b=l24.36，c=l69.39，j=-6.28，k=l81.6，液壓桿的最大行程為82mm，相應(yīng)的X=36.25，X=116.36，轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角度為π/2。另一組連桿機構(gòu)a=82.35，b=96.43，c=140.36，j=8.63，k=142.6對應(yīng)于x=-31.35，x=-120.7，轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角度為n/2，每個桿件的長度單位為mm。線性位移傳感器通過固定環(huán)固定在液壓缸上，其前端通過連接件與液壓缸的液壓桿連接，以測量液壓桿的行程。由于桿和液壓缸的高度較低，因此不會占據(jù)整個結(jié)構(gòu)中