基于繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢：創(chuàng)新設(shè)計(jì)與深度研究一、引言1.1研究背景與意義仿人機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向，集機(jī)械、電子、材料、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制技術(shù)等多門學(xué)科于一體，是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。其旨在模仿人類外觀和行為，尤其是具有和人類相似肌體的種類，能夠在多種場(chǎng)景中協(xié)助人類完成任務(wù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，仿人機(jī)器人技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。2023年11月，工信部印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出到2025年，人形機(jī)器人創(chuàng)新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關(guān)鍵技術(shù)取得突破，整機(jī)產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在特種、制造、民生服務(wù)等場(chǎng)景得到示范應(yīng)用。2023年12月，特斯拉CEO馬斯克發(fā)布人形機(jī)器人Optimus的最新視頻，其第二代機(jī)器人步行速度提升30%，平衡感和身體控制能力有所改善。2024年1月，在拉斯維加斯消費(fèi)電子展（CES）上，開(kāi)普勒研發(fā)的先行者系列通用人形機(jī)器人、傲鯊智能自研BES-HV腰部外骨骼機(jī)器人等紛紛亮相。2024年2月，我國(guó)“人形機(jī)器人第一股”優(yōu)必選發(fā)布了工業(yè)版人形機(jī)器人WalkerS在新能源車廠的首次實(shí)訓(xùn)視頻，展示了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有的仿人機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)功能上仍存在一定的局限性。完全參照人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在困難，現(xiàn)有的機(jī)器人還不能有效模擬人體結(jié)構(gòu)中存在的諸多冗余自由度和結(jié)構(gòu)之間的強(qiáng)耦合性等特性。例如，常規(guī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人由于電機(jī)及減速器結(jié)構(gòu)自重較大，導(dǎo)致機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)剛性偏大，運(yùn)動(dòng)平順性不足，在一些需要精細(xì)動(dòng)作和靈活適應(yīng)環(huán)境的任務(wù)中表現(xiàn)不佳。在人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，關(guān)節(jié)由多塊肌肉驅(qū)動(dòng)，肌肉與肌腱的配合具有非線性彈簧的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、靈活且柔順的運(yùn)動(dòng)。受此啟發(fā)，繩索驅(qū)動(dòng)作為一種新型的傳動(dòng)方式，在仿人機(jī)器人領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注。繩索驅(qū)動(dòng)具有重量輕、慣性小、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榉氯藱C(jī)器人帶來(lái)更好的柔順性，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠更好地吸收末端沖擊，保護(hù)機(jī)構(gòu)不受損傷。同時(shí)，繩索驅(qū)動(dòng)還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，提高機(jī)器人對(duì)不同環(huán)境和任務(wù)的適應(yīng)性。本研究聚焦于繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢設(shè)計(jì)與研究，具有重要的理論和實(shí)踐意義。在理論方面，通過(guò)對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢進(jìn)行深入研究，可以進(jìn)一步揭示繩索驅(qū)動(dòng)在仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的作用機(jī)制，為仿人機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析、控制算法設(shè)計(jì)等提供新的理論依據(jù)，豐富和完善仿人機(jī)器人的理論體系。在實(shí)踐方面，設(shè)計(jì)出高性能的繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢，將有助于提高仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和應(yīng)用能力，使其能夠更好地應(yīng)用于特種作業(yè)、康復(fù)醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域，為人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)更多便利和價(jià)值。例如，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢可以為下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者提供更加自然、舒適的康復(fù)訓(xùn)練，幫助他們恢復(fù)肢體功能；在特種作業(yè)領(lǐng)域，仿人機(jī)器人可以在危險(xiǎn)環(huán)境中代替人類完成任務(wù)，保障人員安全。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢的研究取得了一定成果。日本JSK研究室在這一領(lǐng)域處于前沿地位，他們使用繩索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)研制出了較為成熟的仿人機(jī)器人Kenzoh。該研究室隨后對(duì)Kenzoh的繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)剛度調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并且加入了張力傳感器模塊，能夠更加準(zhǔn)確地控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的柔順性和靈活性得到了顯著提升，為仿人機(jī)器人的發(fā)展提供了重要的技術(shù)參考。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Dewert研究小組研發(fā)出一款具有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度的繩索驅(qū)動(dòng)仿人下肢單腿結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較為穩(wěn)定的腿部運(yùn)動(dòng)，為仿人機(jī)器人下肢的動(dòng)力學(xué)研究和控制算法開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)利用繩索串聯(lián)彈簧驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了biobiped機(jī)器人，這種驅(qū)動(dòng)方式在一定程度上提高了機(jī)器人的柔順性，使其在行走過(guò)程中能夠更好地適應(yīng)不同的地形和環(huán)境。國(guó)內(nèi)對(duì)于繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的研究也在不斷推進(jìn)，主要聚焦在繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)、繩索驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)構(gòu)和繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂等方面。顏玉嬌等針對(duì)繩索牽引并聯(lián)機(jī)器人建立了繩索的直線模型和懸鏈線模型，為繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)。呂偉等針對(duì)海上船舶起重機(jī)的繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究，提升了繩索驅(qū)動(dòng)在特殊工程領(lǐng)域的應(yīng)用能力。甘振波等進(jìn)行了基于繩索驅(qū)動(dòng)的下肢康復(fù)外骨骼設(shè)計(jì)，并制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)軌跡跟蹤性能試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，為繩索驅(qū)動(dòng)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，部分機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致制造和維護(hù)成本較高，同時(shí)也增加了機(jī)器人的整體重量，影響了其運(yùn)動(dòng)效率。在動(dòng)力學(xué)分析方面，雖然已經(jīng)有一些研究對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人下肢進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模和仿真，但模型的準(zhǔn)確性和通用性仍有待提高，對(duì)于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下的動(dòng)力學(xué)特性分析還不夠深入。在控制算法方面，目前的控制策略難以充分發(fā)揮繩索驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)的精確控制，導(dǎo)致機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性不足。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究將在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新，采用輕量化材料和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)布局，降低機(jī)器人下肢的重量和復(fù)雜度。在動(dòng)力學(xué)分析方面，將綜合考慮多種因素，建立更加準(zhǔn)確和通用的動(dòng)力學(xué)模型，深入研究機(jī)器人下肢在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性。在控制算法方面，將結(jié)合先進(jìn)的智能控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)的精確控制，提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性。二、繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢設(shè)計(jì)原理2.1人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析人體下肢作為支撐身體重量和實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部位，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜而精妙的系統(tǒng)。下肢主要由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉組成，各部分相互協(xié)作，共同完成行走、跑步、跳躍等多種運(yùn)動(dòng)功能。從骨骼結(jié)構(gòu)來(lái)看，下肢骨骼包括髖骨、股骨、脛骨、腓骨、髕骨以及足部的跗骨、跖骨和趾骨等。髖骨由髂骨、坐骨和恥骨融合而成，與股骨形成髖關(guān)節(jié)，是連接軀干和下肢的重要關(guān)節(jié)，能夠承受身體的大部分重量，并為下肢的運(yùn)動(dòng)提供穩(wěn)定的支撐。股骨是人體最長(zhǎng)、最粗壯的骨骼，它與脛骨、髕骨共同構(gòu)成膝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)是人體中最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，不僅要承受身體的重量，還要在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)屈伸、旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)。脛骨和腓骨位于小腿部位，它們相互協(xié)作，支撐著身體的重量，并與足部的骨骼相連，形成踝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)控制足部的屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于維持身體的平衡和行走的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。足部的骨骼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成了足弓，足弓具有彈性，能夠緩沖行走和跑步時(shí)地面的沖擊力，保護(hù)身體免受損傷。關(guān)節(jié)在下肢運(yùn)動(dòng)中起著連接和轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵作用。髖關(guān)節(jié)是典型的球窩關(guān)節(jié)，具有三個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)屈伸、內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在行走過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)大腿的擺動(dòng)，為下肢的前進(jìn)提供動(dòng)力。內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)則有助于維持身體在行走時(shí)的平衡，特別是在轉(zhuǎn)彎或跨越障礙物時(shí)發(fā)揮重要作用。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以使下肢在不同方向上靈活調(diào)整，適應(yīng)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。膝關(guān)節(jié)是一個(gè)鉸鏈關(guān)節(jié)，主要進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也具有一定的旋轉(zhuǎn)自由度。在行走時(shí)，膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)配合髖關(guān)節(jié)，使腿部能夠交替邁出，實(shí)現(xiàn)身體的移動(dòng)。在上下樓梯或蹲下站起等動(dòng)作中，膝關(guān)節(jié)需要承受更大的壓力和負(fù)荷，其穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)對(duì)于完成這些動(dòng)作至關(guān)重要。踝關(guān)節(jié)是一個(gè)滑車關(guān)節(jié)，主要負(fù)責(zé)足部的背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也能進(jìn)行一定程度的內(nèi)翻和外翻。背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)使足部能夠抬起和放下，為行走提供推進(jìn)力。內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)則在維持身體平衡和適應(yīng)不同地形時(shí)發(fā)揮作用，例如在不平坦的地面行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻和外翻可以幫助身體調(diào)整姿態(tài)，防止摔倒。肌肉是下肢運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，它們通過(guò)收縮和舒張產(chǎn)生力量，驅(qū)動(dòng)骨骼和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。下肢的主要肌肉包括臀大肌、股四頭肌、腘繩肌、小腿三頭肌等。臀大肌是臀部最大的肌肉，它在髖關(guān)節(jié)伸展和外旋時(shí)發(fā)揮重要作用。在跑步或跳躍時(shí)，臀大肌的收縮能夠提供強(qiáng)大的動(dòng)力，使腿部向后伸展，推動(dòng)身體向前運(yùn)動(dòng)。股四頭肌位于大腿前側(cè)，是人體最大的肌肉群之一，它由股直肌、股中肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌組成，主要作用是伸膝關(guān)節(jié)和屈髖關(guān)節(jié)。在站立、行走和跑步時(shí)，股四頭肌的收縮能夠使膝關(guān)節(jié)伸直，支撐身體的重量，并推動(dòng)身體前進(jìn)。腘繩肌位于大腿后側(cè)，包括半腱肌、半膜肌和股二頭肌，其主要功能是屈膝關(guān)節(jié)和伸髖關(guān)節(jié)。在跑步的擺動(dòng)階段，腘繩肌的收縮能夠使膝關(guān)節(jié)彎曲，帶動(dòng)小腿向后擺動(dòng)，為下一步的邁步做好準(zhǔn)備。小腿三頭肌由腓腸肌和比目魚肌組成，位于小腿后側(cè)，主要作用是跖屈踝關(guān)節(jié)。在行走、跑步和跳躍時(shí)，小腿三頭肌的收縮能夠使足部跖屈，產(chǎn)生向上的推力，推動(dòng)身體前進(jìn)。為了更直觀地了解人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理，我們可以通過(guò)對(duì)行走步態(tài)的分析來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。行走是人體最基本的運(yùn)動(dòng)方式之一，其步態(tài)周期可以分為支撐相和擺動(dòng)相。在支撐相中，下肢與地面接觸，承受身體的重量，并為身體的前進(jìn)提供動(dòng)力。支撐相又可以細(xì)分為初始著地、承重反應(yīng)、站立中期、蹬離前期和蹬離期。在初始著地時(shí)，足部的腳跟首先接觸地面，此時(shí)踝關(guān)節(jié)處于背屈狀態(tài)，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)微微彎曲，以緩沖地面的沖擊力。隨著身體重心的向前移動(dòng)，進(jìn)入承重反應(yīng)階段，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)進(jìn)一步彎曲，身體重量逐漸轉(zhuǎn)移到支撐腿上。站立中期是支撐相的主要階段，此時(shí)支撐腿承受著身體的全部重量，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)保持穩(wěn)定，踝關(guān)節(jié)處于中立位。蹬離前期，小腿三頭肌開(kāi)始收縮，踝關(guān)節(jié)逐漸跖屈，為蹬離地面做準(zhǔn)備。在蹬離期，小腿三頭肌和臀大肌等肌肉強(qiáng)烈收縮，使踝關(guān)節(jié)跖屈，膝關(guān)節(jié)伸直，髖關(guān)節(jié)伸展，將身體向前上方推起，完成蹬離動(dòng)作。在擺動(dòng)相中，支撐腿離開(kāi)地面，下肢在空中向前擺動(dòng)，為下一次著地做準(zhǔn)備。擺動(dòng)相可以分為加速期、擺動(dòng)中期和減速期。在加速期，髖關(guān)節(jié)屈肌和膝關(guān)節(jié)屈肌收縮，使大腿和小腿向前擺動(dòng)，速度逐漸加快。擺動(dòng)中期，下肢以穩(wěn)定的速度向前擺動(dòng)，此時(shí)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)保持一定的角度。在減速期，膝關(guān)節(jié)伸肌和髖關(guān)節(jié)伸肌收縮，使下肢的擺動(dòng)速度逐漸減慢，為著地做好準(zhǔn)備。通過(guò)對(duì)人體下肢骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉協(xié)同運(yùn)動(dòng)方式的剖析，明確了各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和特點(diǎn)，以及在不同運(yùn)動(dòng)階段肌肉的發(fā)力情況。這些研究成果為繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢的設(shè)計(jì)提供了重要的生物原型參考。在設(shè)計(jì)機(jī)器人下肢時(shí)，可以借鑒人體下肢的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理，合理選擇關(guān)節(jié)的類型和運(yùn)動(dòng)方式，優(yōu)化肌肉（繩索）的布局和驅(qū)動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人下肢的高效、靈活和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。2.2繩索驅(qū)動(dòng)原理及優(yōu)勢(shì)2.2.1繩索驅(qū)動(dòng)基本原理繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、繩索、滑輪以及相關(guān)的傳動(dòng)部件組成。其基本工作原理是通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力，帶動(dòng)繩索運(yùn)動(dòng)，繩索在滑輪的導(dǎo)向作用下，將動(dòng)力傳遞到需要驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)部位，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)簡(jiǎn)單的繩索驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模型中，電機(jī)通過(guò)減速器與繩索的一端相連，繩索繞過(guò)多個(gè)滑輪，最終連接到關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件上。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，減速器將電機(jī)的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)換為低速高扭矩，帶動(dòng)繩索拉伸或收縮。繩索在滑輪的引導(dǎo)下，改變運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生拉力或推力，使關(guān)節(jié)按照預(yù)定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。以髖關(guān)節(jié)的繩索驅(qū)動(dòng)為例，可類比人體中臀大肌、髂腰肌等肌肉通過(guò)肌腱與髖關(guān)節(jié)相連實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式。在仿人機(jī)器人下肢中，多條繩索分別對(duì)應(yīng)不同的肌肉功能，例如，模擬臀大肌功能的繩索布置在髖關(guān)節(jié)后方，當(dāng)這條繩索在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，就像臀大肌收縮一樣，使髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸展運(yùn)動(dòng)；而模擬髂腰肌功能的繩索布置在髖關(guān)節(jié)前方，其收縮時(shí)可使髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈曲運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)不同繩索的協(xié)同控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)髖關(guān)節(jié)在多個(gè)自由度上的靈活運(yùn)動(dòng)，類似人體肌肉-肌腱系統(tǒng)對(duì)髖關(guān)節(jié)的精確控制。膝關(guān)節(jié)的繩索驅(qū)動(dòng)同樣借鑒了人體肌肉-肌腱的驅(qū)動(dòng)方式。人體中股四頭肌通過(guò)髕腱與膝關(guān)節(jié)相連，負(fù)責(zé)伸膝動(dòng)作；腘繩肌則位于膝關(guān)節(jié)后方，負(fù)責(zé)屈膝動(dòng)作。在繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人膝關(guān)節(jié)中，通過(guò)合理布置繩索，模擬股四頭肌的繩索在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，拉動(dòng)關(guān)節(jié)部件，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的伸展；模擬腘繩肌的繩索收縮時(shí)，則實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈曲。并且，通過(guò)調(diào)整繩索的張力和收縮速度，可以精確控制膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度和速度，如同人體肌肉根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)需求精確調(diào)節(jié)發(fā)力一樣。踝關(guān)節(jié)的繩索驅(qū)動(dòng)也遵循類似的原理。人體小腿三頭肌通過(guò)跟腱與踝關(guān)節(jié)相連，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的跖屈動(dòng)作；而脛骨前肌等肌肉則負(fù)責(zé)踝關(guān)節(jié)的背屈動(dòng)作。在仿人機(jī)器人中，模擬小腿三頭肌的繩索布置在踝關(guān)節(jié)后方，收縮時(shí)使踝關(guān)節(jié)跖屈；模擬脛骨前肌的繩索布置在踝關(guān)節(jié)前方，收縮時(shí)使踝關(guān)節(jié)背屈。通過(guò)對(duì)這些繩索的精確控制，仿人機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)與人體相似的運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)不同的地形和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。這種基于人體肌肉-肌腱驅(qū)動(dòng)方式的繩索驅(qū)動(dòng)原理，使得仿人機(jī)器人下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠更加自然、靈活地模擬人類的運(yùn)動(dòng)模式，為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)性能奠定了基礎(chǔ)。2.2.2與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比與傳統(tǒng)的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式相比，繩索驅(qū)動(dòng)在多個(gè)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在柔順性方面，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)通常采用剛性連接，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)較為生硬，缺乏緩沖能力。而繩索驅(qū)動(dòng)具有良好的柔順性，由于繩索本身具有一定的彈性，在受到外力沖擊時(shí)，能夠像人體肌肉一樣產(chǎn)生形變，吸收沖擊能量，從而保護(hù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)和結(jié)構(gòu)不受損傷。在機(jī)器人行走過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，繩索驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)能夠通過(guò)自身的彈性變形來(lái)緩沖碰撞力，避免關(guān)節(jié)的損壞，而電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)則可能因剛性碰撞而受到損傷。在負(fù)載能力方面，雖然電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)力，但由于電機(jī)和減速器的重量較大，增加了機(jī)器人的整體負(fù)擔(dān)，在一些對(duì)負(fù)載重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景中受到限制。繩索驅(qū)動(dòng)則具有較高的功率重量比，其繩索和滑輪等部件相對(duì)較輕，能夠在不增加過(guò)多重量的情況下提供較大的驅(qū)動(dòng)力。在需要機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)或攜帶額外負(fù)載的情況下，繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢能夠憑借其較輕的結(jié)構(gòu)，更好地完成任務(wù)。從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度來(lái)看，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)需要大量的電機(jī)、減速器以及復(fù)雜的傳動(dòng)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，這不僅增加了機(jī)器人的制造成本，還使得機(jī)器人的維護(hù)和調(diào)試變得困難。繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)合理布置繩索和滑輪，就能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，減少了傳動(dòng)部件的數(shù)量，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。這使得機(jī)器人的制造和維護(hù)成本降低，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。與氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)相比，繩索驅(qū)動(dòng)同樣具有明顯的優(yōu)勢(shì)。氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)需要配備復(fù)雜的氣源系統(tǒng)，包括氣泵、氣瓶、氣管等，這使得系統(tǒng)的體積較大，重量較重，限制了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。繩索驅(qū)動(dòng)不需要?dú)庠聪到y(tǒng)，只需要電機(jī)作為動(dòng)力源，結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更輕，有利于提高機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。在需要機(jī)器人在狹窄空間或?qū)χ亓恳髧?yán)格的環(huán)境中工作時(shí)，繩索驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)尤為突出。在響應(yīng)速度方面，氣動(dòng)人工肌肉由于氣體的可壓縮性，其響應(yīng)速度相對(duì)較慢，難以實(shí)現(xiàn)快速、精確的運(yùn)動(dòng)控制。繩索驅(qū)動(dòng)則能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，電機(jī)的控制精度高，能夠迅速調(diào)整繩索的張力和運(yùn)動(dòng)速度，使機(jī)器人的關(guān)節(jié)能夠快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制指令。在機(jī)器人需要進(jìn)行快速動(dòng)作或?qū)Νh(huán)境變化做出及時(shí)反應(yīng)的情況下，繩索驅(qū)動(dòng)能夠更好地滿足需求。在運(yùn)動(dòng)精度方面，雖然氣動(dòng)人工肌肉在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的運(yùn)動(dòng)控制，但由于氣體的特性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，其運(yùn)動(dòng)精度仍然受到一定的限制。繩索驅(qū)動(dòng)通過(guò)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運(yùn)動(dòng)精度，滿足一些對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求較高的任務(wù)，如精細(xì)操作、軌跡跟蹤等。在機(jī)器人進(jìn)行抓取物體或在復(fù)雜地形上行走時(shí)，繩索驅(qū)動(dòng)能夠提供更精確的運(yùn)動(dòng)控制，保證任務(wù)的順利完成。2.3繩索-齒輪混合傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)2.3.1混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了充分發(fā)揮繩索驅(qū)動(dòng)的柔順性和齒輪傳動(dòng)的高驅(qū)動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，本研究設(shè)計(jì)了一種繩索-齒輪混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，用于仿人機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、繩索傳動(dòng)系統(tǒng)以及關(guān)節(jié)連接件等部分組成。在髖關(guān)節(jié)處，電機(jī)通過(guò)齒輪減速器與主動(dòng)齒輪相連，主動(dòng)齒輪與安裝在髖關(guān)節(jié)軸上的從動(dòng)齒輪嚙合。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力通過(guò)齒輪減速器傳遞給主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)在水平方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種齒輪傳動(dòng)方式能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)力，滿足機(jī)器人在行走、跑步等運(yùn)動(dòng)中髖關(guān)節(jié)所需的扭矩。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)在垂直方向上的屈伸運(yùn)動(dòng)，采用繩索驅(qū)動(dòng)方式。多條繩索繞過(guò)安裝在髖關(guān)節(jié)周圍的滑輪，一端固定在機(jī)器人的軀干上，另一端連接到大腿部件。通過(guò)控制電機(jī)帶動(dòng)繩索的收放，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)。繩索的彈性特性使得髖關(guān)節(jié)在屈伸過(guò)程中具有良好的柔順性，能夠更好地模擬人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。膝關(guān)節(jié)的混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)同樣結(jié)合了齒輪和繩索的優(yōu)勢(shì)。電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞到膝關(guān)節(jié)軸，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)。在膝關(guān)節(jié)的伸展和屈曲運(yùn)動(dòng)中，繩索發(fā)揮了關(guān)鍵作用。模擬股四頭肌的繩索布置在膝關(guān)節(jié)前方，當(dāng)這條繩索在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，拉動(dòng)大腿和小腿部件，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的伸展；模擬腘繩肌的繩索布置在膝關(guān)節(jié)后方，其收縮時(shí)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈曲。通過(guò)合理調(diào)整繩索的張力和電機(jī)的輸出，能夠精確控制膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度和速度，保證機(jī)器人在行走和跑步等運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性和流暢性。踝關(guān)節(jié)的混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也類似。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供踝關(guān)節(jié)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，而繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)。模擬脛骨前肌的繩索布置在踝關(guān)節(jié)前方，收縮時(shí)使踝關(guān)節(jié)背屈；模擬小腿三頭肌的繩索布置在踝關(guān)節(jié)后方，收縮時(shí)使踝關(guān)節(jié)跖屈。這種混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使得踝關(guān)節(jié)能夠靈活地適應(yīng)不同的地形和運(yùn)動(dòng)需求，為機(jī)器人的行走和站立提供穩(wěn)定的支撐。在整個(gè)下肢的混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)和繩索傳動(dòng)相互協(xié)同，共同完成機(jī)器人下肢的各種運(yùn)動(dòng)。齒輪傳動(dòng)提供了穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力和精確的運(yùn)動(dòng)控制，確保機(jī)器人能夠承受一定的負(fù)載并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡；繩索傳動(dòng)則賦予了機(jī)器人下肢良好的柔順性，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠更好地吸收沖擊能量，保護(hù)關(guān)節(jié)和結(jié)構(gòu)不受損傷。通過(guò)對(duì)齒輪和繩索的合理布局和控制，本研究設(shè)計(jì)的混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)能夠有效地提高仿人機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)性能和適應(yīng)性。2.3.2關(guān)鍵部件選型與設(shè)計(jì)繩索作為傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效果。在選型時(shí)，主要考慮繩索的強(qiáng)度、耐磨性、柔韌性以及重量等因素。本研究選用芳綸纖維繩索，芳綸纖維具有高強(qiáng)度、低密度的特點(diǎn)，其拉伸強(qiáng)度比鋼絲還要高，能夠承受較大的拉力，滿足機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)繩索強(qiáng)度的要求。同時(shí)，芳綸纖維繩索的柔韌性較好，在繞過(guò)滑輪時(shí)能夠順暢地運(yùn)動(dòng)，減少摩擦和能量損失。此外，其耐磨性也較好，能夠在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中保持穩(wěn)定的性能。繩索的直徑根據(jù)機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行選擇，經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真分析，確定采用直徑為[X]mm的芳綸纖維繩索，該規(guī)格的繩索在保證足夠強(qiáng)度的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)較為靈活的運(yùn)動(dòng)控制。齒輪在混合傳動(dòng)系統(tǒng)中起到傳遞動(dòng)力和增大扭矩的作用，其選型需要綜合考慮傳動(dòng)比、承載能力、精度等因素。對(duì)于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，選用高精度的漸開(kāi)線圓柱齒輪。漸開(kāi)線圓柱齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)對(duì)動(dòng)力傳遞的要求。齒輪的模數(shù)根據(jù)機(jī)器人下肢的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析確定為[X]mm，模數(shù)的選擇既能保證齒輪有足夠的強(qiáng)度來(lái)傳遞動(dòng)力，又能使齒輪的尺寸不至于過(guò)大，影響機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)性能。齒輪的齒數(shù)比根據(jù)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和傳動(dòng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如，髖關(guān)節(jié)的齒輪齒數(shù)比設(shè)計(jì)為[具體齒數(shù)比]，以實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)在不同方向上的靈活運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為了提高齒輪的傳動(dòng)效率和降低噪音，對(duì)齒輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括齒面的精加工和齒形的修正等。電機(jī)作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，其性能對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能起著決定性作用。根據(jù)機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)特性，選用直流無(wú)刷電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)具有效率高、響應(yīng)速度快、控制精度高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足仿人機(jī)器人下肢對(duì)電機(jī)性能的嚴(yán)格要求。在功率選擇方面，通過(guò)對(duì)機(jī)器人下肢在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出各關(guān)節(jié)所需的最大功率，然后根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果選擇合適功率的電機(jī)。對(duì)于髖關(guān)節(jié)，由于其需要承受較大的負(fù)載和提供較大的驅(qū)動(dòng)力，選用功率為[X]W的直流無(wú)刷電機(jī)；膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)根據(jù)其各自的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和負(fù)載要求，分別選用功率為[X]W和[X]W的直流無(wú)刷電機(jī)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍也根據(jù)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和速度要求進(jìn)行選擇，確保電機(jī)能夠在不同的運(yùn)動(dòng)工況下穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，配備了高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制器發(fā)送的脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。除了繩索、齒輪和電機(jī)外，滑輪、軸承等其他部件的選型也至關(guān)重要。滑輪選用高強(qiáng)度、低摩擦的鋁合金材質(zhì)，其表面經(jīng)過(guò)特殊處理，以減少繩索與滑輪之間的磨損。滑輪的直徑根據(jù)繩索的規(guī)格和運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行選擇，確保繩索在繞過(guò)滑輪時(shí)能夠保持良好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軸承選用高精度的深溝球軸承，能夠承受徑向和軸向的載荷，保證關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性和靈活性。在整個(gè)關(guān)鍵部件的選型與設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了各部件之間的匹配性和兼容性，以確保繩索-齒輪混合傳動(dòng)系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，為仿人機(jī)器人下肢提供可靠的動(dòng)力支持。三、仿人機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人下肢總體結(jié)構(gòu)旨在高度模擬人類下肢的形態(tài)和功能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、靈活的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人下肢主要由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)組成，各關(guān)節(jié)通過(guò)連桿和連接件相互連接，形成一個(gè)有機(jī)的整體。從三維模型（如圖1所示）可以清晰地看到，髖關(guān)節(jié)作為連接軀干和下肢的關(guān)鍵部位，采用了球窩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)理念，以實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)。它由三個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸組成，分別控制髖關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)能夠模仿人類髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和方式，為下肢的各種運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。在行走過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)能夠帶動(dòng)大腿的前后擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)身體的前進(jìn)；內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)則有助于保持身體的平衡，特別是在轉(zhuǎn)彎或跨越障礙物時(shí)發(fā)揮重要作用；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以使下肢在不同方向上靈活調(diào)整，適應(yīng)復(fù)雜的地形和任務(wù)需求。膝關(guān)節(jié)采用了鉸鏈關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)腿部的屈伸運(yùn)動(dòng)。它由大腿骨（股骨）、小腿骨（脛骨和腓骨）以及連接它們的膝關(guān)節(jié)連接件組成。在膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，考慮到了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和靈活性，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局和材料選擇，確保了膝關(guān)節(jié)在承受較大載荷的情況下仍能實(shí)現(xiàn)順暢的屈伸運(yùn)動(dòng)。在跑步時(shí)，膝關(guān)節(jié)需要快速地屈伸，以提供足夠的動(dòng)力和速度，本設(shè)計(jì)的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)能夠滿足這一要求，同時(shí)減少了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量損失。踝關(guān)節(jié)同樣是一個(gè)重要的關(guān)節(jié)，它負(fù)責(zé)控制足部的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于維持身體的平衡和行走的穩(wěn)定性至關(guān)重要。踝關(guān)節(jié)采用了類似人體踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)背屈、跖屈以及一定程度的內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)踝關(guān)節(jié)的精確控制，機(jī)器人可以在不同的地形上行走，如平坦地面、斜坡、樓梯等。在爬樓梯時(shí)，踝關(guān)節(jié)需要根據(jù)樓梯的高度和坡度進(jìn)行調(diào)整，以確保機(jī)器人能夠安全、穩(wěn)定地上下樓梯。為了增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在下肢的設(shè)計(jì)中采用了合理的重量分布和支撐結(jié)構(gòu)。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的布局經(jīng)過(guò)優(yōu)化，使機(jī)器人在站立和運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠保持良好的平衡。同時(shí)，選用高強(qiáng)度、輕量化的材料制作下肢的各個(gè)部件，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減輕了機(jī)器人的整體重量，提高了運(yùn)動(dòng)效率。使用碳纖維復(fù)合材料制作大腿和小腿的連桿，這種材料具有高強(qiáng)度、低密度的特點(diǎn)，能夠有效減輕下肢的重量，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性。在靈活性方面，通過(guò)優(yōu)化關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)范圍，以及采用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，使機(jī)器人下肢能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。繩索-齒輪混合傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，為關(guān)節(jié)提供了更加靈活和精確的動(dòng)力傳輸，使得機(jī)器人能夠完成如跑步、跳躍、轉(zhuǎn)身等動(dòng)作。在跑步過(guò)程中，通過(guò)控制繩索的張力和電機(jī)的輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人的跑步動(dòng)作更加自然、流暢。[此處插入仿人機(jī)器人下肢三維模型圖]圖1仿人機(jī)器人下肢三維模型通過(guò)以上設(shè)計(jì)，本研究的仿人機(jī)器人下肢在結(jié)構(gòu)上具有良好的穩(wěn)定性和靈活性，能夠滿足多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的需求，為進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析和控制算法研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)作為連接軀干和下肢的關(guān)鍵部位，在仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。本研究設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)旨在實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，以高度模擬人類髖關(guān)節(jié)的功能。髖關(guān)節(jié)主要由髖關(guān)節(jié)支架、旋轉(zhuǎn)軸、滑輪組以及繩索連接部件等組成。髖關(guān)節(jié)支架作為整個(gè)關(guān)節(jié)的支撐結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋁合金材料制成，具有良好的強(qiáng)度和輕量化特性，能夠在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，減輕機(jī)器人下肢的整體重量。在支架上，設(shè)置了三個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸，分別對(duì)應(yīng)髖關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上都安裝有高精度的軸承，以減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦和磨損，確保關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的順暢性。實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的原理基于各旋轉(zhuǎn)軸的協(xié)同工作。在屈伸運(yùn)動(dòng)方面，通過(guò)控制安裝在髖關(guān)節(jié)前方和后方的繩索的收放來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬髂腰肌功能的繩索布置在髖關(guān)節(jié)前方，當(dāng)該繩索在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，拉動(dòng)大腿部件向前上方運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的屈曲；而模擬臀大肌功能的繩索布置在髖關(guān)節(jié)后方，其收縮時(shí)則使大腿部件向后下方運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的伸展。在內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)控制髖關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的繩索來(lái)實(shí)現(xiàn)。布置在髖關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的繩索收縮時(shí)，使大腿向身體中線靠攏，實(shí)現(xiàn)內(nèi)收運(yùn)動(dòng)；而外側(cè)繩索收縮時(shí)，大腿則向外側(cè)展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)外展運(yùn)動(dòng)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制環(huán)繞髖關(guān)節(jié)的繩索來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)這些繩索按照特定的順序和張力進(jìn)行收放時(shí)，能夠使髖關(guān)節(jié)繞垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整下肢的方向。繩索驅(qū)動(dòng)的具體方式是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)繩索在滑輪組上運(yùn)動(dòng)。在髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，滑輪組被巧妙地布置在旋轉(zhuǎn)軸周圍，以引導(dǎo)繩索的運(yùn)動(dòng)方向?；啿捎娩X合金材質(zhì)，表面經(jīng)過(guò)特殊處理，以降低繩索與滑輪之間的摩擦系數(shù)，提高傳動(dòng)效率。繩索的一端連接在電機(jī)的輸出軸上，另一端繞過(guò)滑輪組后，與大腿部件相連。通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，能夠精確地控制繩索的收放長(zhǎng)度和速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的精確控制。為了確保繩索在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，采用了張緊裝置，該裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)繩索的張力，并根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整繩索的張緊程度，防止繩索出現(xiàn)松弛或過(guò)度緊繃的情況。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)的多自由度運(yùn)動(dòng)能夠使機(jī)器人完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。在行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)配合膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人的腿部能夠交替邁出，實(shí)現(xiàn)身體的前進(jìn)。內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)則有助于機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎或跨越障礙物時(shí)保持身體的平衡。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以使機(jī)器人在不同方向上靈活調(diào)整下肢的姿態(tài)，適應(yīng)各種復(fù)雜的地形和任務(wù)需求。在爬樓梯時(shí)，髖關(guān)節(jié)需要根據(jù)樓梯的坡度和高度進(jìn)行相應(yīng)的屈伸、內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以確保機(jī)器人能夠安全、穩(wěn)定地上下樓梯。3.2.2膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)是仿人機(jī)器人下肢的重要關(guān)節(jié)之一，主要負(fù)責(zé)腿部的屈伸運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)器人的行走、跑步等動(dòng)作起著關(guān)鍵作用。本研究設(shè)計(jì)的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和靈活性的同時(shí)，充分考慮了繩索驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)和要求。膝關(guān)節(jié)主要由大腿連接件、小腿連接件、旋轉(zhuǎn)軸、滑輪以及繩索等部件組成。大腿連接件和小腿連接件通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸連接，形成一個(gè)類似于鉸鏈的結(jié)構(gòu)，使得小腿能夠繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸采用高強(qiáng)度合金鋼制成，具有良好的耐磨性和承載能力，能夠承受機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中施加在膝關(guān)節(jié)上的較大載荷。在旋轉(zhuǎn)軸的兩端，安裝有高精度的軸承，以減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦和能量損失，確保膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的順暢性和穩(wěn)定性。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)的屈伸原理基于繩索的驅(qū)動(dòng)作用。模擬股四頭肌功能的繩索布置在膝關(guān)節(jié)前方，當(dāng)這條繩索在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，拉動(dòng)大腿連接件和小腿連接件，使小腿繞旋轉(zhuǎn)軸向前上方轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的伸展；而模擬腘繩肌功能的繩索布置在膝關(guān)節(jié)后方，其收縮時(shí)則使小腿繞旋轉(zhuǎn)軸向后下方轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈曲。通過(guò)精確控制這兩條繩索的張力和收縮速度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)屈伸角度和速度的精確控制，從而使機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)更加自然、流暢。繩索驅(qū)動(dòng)的控制方式采用閉環(huán)控制策略。在膝關(guān)節(jié)上安裝了角度傳感器和力傳感器，角度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)的屈伸角度，力傳感器則用于檢測(cè)繩索的張力。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡和參數(shù)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索張力和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的精確控制。當(dāng)機(jī)器人在行走過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，力傳感器會(huì)檢測(cè)到繩索張力的變化，控制器根據(jù)這一變化及時(shí)調(diào)整電機(jī)的輸出，使膝關(guān)節(jié)做出相應(yīng)的動(dòng)作，避免機(jī)器人受到損傷。同時(shí)，通過(guò)對(duì)角度傳感器數(shù)據(jù)的分析，控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確保其按照預(yù)定的軌跡和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。為了提高膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能和可靠性，還對(duì)膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在大腿連接件和小腿連接件的接觸部位，采用了特殊的潤(rùn)滑材料和表面處理工藝，以減少摩擦和磨損，延長(zhǎng)膝關(guān)節(jié)的使用壽命。此外，還對(duì)繩索的布置方式和滑輪的位置進(jìn)行了優(yōu)化，使繩索在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更加順暢，減少了繩索與滑輪之間的摩擦和干涉。通過(guò)這些優(yōu)化措施，本研究設(shè)計(jì)的膝關(guān)節(jié)能夠在保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和靈活性的前提下，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的繩索驅(qū)動(dòng)控制。3.2.3踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)是仿人機(jī)器人下肢實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定站立和靈活行走的關(guān)鍵關(guān)節(jié)之一，它不僅需要實(shí)現(xiàn)前后方向的背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)，還需要具備一定程度的左右方向的內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)能力，以適應(yīng)不同的地形和運(yùn)動(dòng)需求。本研究設(shè)計(jì)的踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)充分考慮了這些運(yùn)動(dòng)要求，并采用繩索驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。踝關(guān)節(jié)主要由上連接部件、下連接部件、萬(wàn)向節(jié)、滑輪以及繩索等組成。上連接部件與小腿相連，下連接部件與足部相連，它們通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接在一起，使得足部能夠在多個(gè)方向上進(jìn)行靈活運(yùn)動(dòng)。萬(wàn)向節(jié)采用高精度的球鉸結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，為踝關(guān)節(jié)的多方向運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。在萬(wàn)向節(jié)的周圍，布置了多個(gè)滑輪，用于引導(dǎo)繩索的運(yùn)動(dòng)方向。實(shí)現(xiàn)前后、左右運(yùn)動(dòng)的原理基于繩索的協(xié)同驅(qū)動(dòng)。在背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)方面，模擬脛骨前肌功能的繩索布置在踝關(guān)節(jié)前方，當(dāng)這條繩索在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收縮時(shí)，拉動(dòng)下連接部件向前上方運(yùn)動(dòng)，使足部向上抬起，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的背屈；而模擬小腿三頭肌功能的繩索布置在踝關(guān)節(jié)后方，其收縮時(shí)則拉動(dòng)下連接部件向后下方運(yùn)動(dòng)，使足部向下彎曲，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的跖屈。在內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)控制布置在踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的繩索來(lái)實(shí)現(xiàn)。布置在踝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的繩索收縮時(shí)，使下連接部件向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻；而外側(cè)繩索收縮時(shí)，下連接部件則向外轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的外翻。繩索驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)制是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)繩索在滑輪上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制。電機(jī)通過(guò)減速器與繩索相連，減速器能夠?qū)㈦姍C(jī)的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)換為低速高扭矩，以滿足踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求。繩索繞過(guò)滑輪后，一端固定在上連接部件上，另一端連接到下連接部件上。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)需要控制不同繩索的收放，使踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制，在踝關(guān)節(jié)上安裝了角度傳感器和力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度和繩索的張力。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)反饋給控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡和參數(shù)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的精確調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，踝關(guān)節(jié)的多方向運(yùn)動(dòng)能力使機(jī)器人能夠在各種復(fù)雜地形上穩(wěn)定行走。在不平坦的地面上行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)可以通過(guò)內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整足部的姿態(tài)，使機(jī)器人保持平衡。在上下樓梯時(shí)，踝關(guān)節(jié)的背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)能夠幫助機(jī)器人順利地完成抬腿和放下的動(dòng)作，確保行走的安全和穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精心設(shè)計(jì)，本研究的仿人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)高效、靈活的運(yùn)動(dòng)控制，為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供了有力支持。3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計(jì)3.3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在仿人機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和降低重量，運(yùn)用了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化等先進(jìn)方法。拓?fù)鋬?yōu)化是一種基于數(shù)學(xué)的優(yōu)化方法，它通過(guò)在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋找材料的最佳分布，以達(dá)到特定的優(yōu)化目標(biāo)，如最大剛度、最小重量等。在仿人機(jī)器人下肢的拓?fù)鋬?yōu)化中，首先建立下肢結(jié)構(gòu)的有限元模型，將髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等關(guān)鍵部位以及連接它們的連桿作為設(shè)計(jì)空間，設(shè)定材料屬性、約束條件和載荷工況。在行走過(guò)程中，下肢會(huì)受到重力、地面反作用力以及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力等多種載荷的作用，這些載荷在不同的運(yùn)動(dòng)階段和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下會(huì)發(fā)生變化。將這些載荷工況施加到有限元模型中，以最小化結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行求解。優(yōu)化后的結(jié)果顯示，在不影響結(jié)構(gòu)性能的前提下，去除了一些不必要的材料，使結(jié)構(gòu)更加合理，減輕了下肢的重量。尺寸優(yōu)化則是在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件的尺寸進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的性能。對(duì)于下肢的連桿，通過(guò)改變其截面尺寸和長(zhǎng)度，分析不同尺寸參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和重量的影響。利用有限元分析軟件，對(duì)不同尺寸組合的連桿進(jìn)行模擬計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等結(jié)果。根據(jù)這些結(jié)果，選擇既能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求，又能使重量最小的尺寸參數(shù)。經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后，連桿的重量得到了有效降低，同時(shí)結(jié)構(gòu)的性能得到了提升。在實(shí)際應(yīng)用中，將拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化相結(jié)合，能夠取得更好的效果。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化確定結(jié)構(gòu)的基本布局和材料分布，然后利用尺寸優(yōu)化對(duì)關(guān)鍵部件的尺寸進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)的輕量化和高性能。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法不僅提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率和靈活性，還降低了能源消耗，為仿人機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用提供了更有力的支持。3.3.2輕量化材料選擇為了進(jìn)一步降低仿人機(jī)器人下肢的重量，同時(shí)保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，選擇合適的輕量化材料至關(guān)重要。在機(jī)器人下肢設(shè)計(jì)中，考慮使用碳纖維復(fù)合材料、鋁合金和鈦合金等材料。碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度的顯著特點(diǎn)，其密度約為1.6g/cm3，僅為鋼的四分之一左右，而強(qiáng)度卻比鋼高5倍以上。在仿人機(jī)器人下肢中，碳纖維復(fù)合材料可用于制造大腿和小腿的連桿等關(guān)鍵部件。由于其高強(qiáng)度特性，能夠承受機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的較大載荷，保證結(jié)構(gòu)的可靠性；低密度則有效減輕了部件的重量，使機(jī)器人下肢更加輕便靈活。在行走和跑步時(shí)，較輕的下肢能夠減少能量消耗，提高運(yùn)動(dòng)效率。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料還具有良好的耐腐蝕性和耐疲勞性，能夠在不同的環(huán)境條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，延長(zhǎng)了機(jī)器人的使用壽命。鋁合金也是一種常用的輕量化材料，其密度約為2.7g/cm3，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和加工性能。在仿人機(jī)器人下肢的關(guān)節(jié)支架和連接件等部件中，鋁合金得到了廣泛應(yīng)用。鋁合金的加工性能使其能夠通過(guò)鑄造、鍛造等工藝制造出各種復(fù)雜形狀的零件，滿足機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。其良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性有助于散熱，保證關(guān)節(jié)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。雖然鋁合金的強(qiáng)度相對(duì)碳纖維復(fù)合材料較低，但通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料處理，仍能滿足機(jī)器人下肢的一般工作要求，并且其成本相對(duì)較低，具有較高的性價(jià)比。鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度和良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，其密度約為4.5g/cm3，介于鋁合金和鋼之間。在仿人機(jī)器人下肢中，鈦合金主要用于制造承受較大載荷的關(guān)鍵部位，如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸等。鈦合金的高強(qiáng)度能夠確保這些關(guān)鍵部位在承受巨大壓力和扭矩時(shí)不會(huì)發(fā)生變形或損壞，保證關(guān)節(jié)的正常運(yùn)動(dòng)。其良好的耐腐蝕性使其能夠在惡劣的環(huán)境中工作，如潮濕、酸堿等環(huán)境，提高了機(jī)器人的適應(yīng)性。雖然鈦合金的成本較高，但其優(yōu)異的性能使其在對(duì)性能要求較高的仿人機(jī)器人下肢設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)這些輕量化材料的合理選擇和應(yīng)用，仿人機(jī)器人下肢的重量得到了有效降低，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。不同材料的特性相互補(bǔ)充，使得機(jī)器人下肢在不同的部位能夠發(fā)揮最佳的性能，為仿人機(jī)器人的高效運(yùn)動(dòng)和廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。四、繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢動(dòng)力學(xué)分析4.1運(yùn)動(dòng)學(xué)建模4.1.1坐標(biāo)系建立為了準(zhǔn)確描述仿人機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人的位姿，采用Denavit-Hartenberg（D-H）方法建立坐標(biāo)系。以髖關(guān)節(jié)中心為原點(diǎn)，建立全局坐標(biāo)系O-XYZ，其中X軸沿水平方向指向機(jī)器人的前方，Y軸沿水平方向指向機(jī)器人的左側(cè)，Z軸沿豎直方向向上。在髖關(guān)節(jié)處，建立坐標(biāo)系O_1-X_1Y_1Z_1，Z_1軸與髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸重合，X_1軸根據(jù)D-H規(guī)則確定，用于描述髖關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞X_1軸旋轉(zhuǎn)；內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)繞Y_1軸旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繞Z_1軸旋轉(zhuǎn)。通過(guò)這種坐標(biāo)系的建立，可以方便地確定髖關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的角度變化，以及與全局坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在膝關(guān)節(jié)處，建立坐標(biāo)系O_2-X_2Y_2Z_2，Z_2軸與膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸重合，X_2軸根據(jù)D-H規(guī)則確定，主要用于描述膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)。當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈伸時(shí)，繞Z_2軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)坐標(biāo)系O_2-X_2Y_2Z_2與髖關(guān)節(jié)坐標(biāo)系O_1-X_1Y_1Z_1之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以準(zhǔn)確地確定膝關(guān)節(jié)在機(jī)器人整體坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)變化。在踝關(guān)節(jié)處，建立坐標(biāo)系O_3-X_3Y_3Z_3，Z_3軸與踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸重合，X_3軸根據(jù)D-H規(guī)則確定，用于描述踝關(guān)節(jié)的背屈、跖屈以及內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)。背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)繞X_3軸旋轉(zhuǎn)，內(nèi)翻和外翻運(yùn)動(dòng)繞Y_3軸旋轉(zhuǎn)。通過(guò)坐標(biāo)系O_3-X_3Y_3Z_3與膝關(guān)節(jié)坐標(biāo)系O_2-X_2Y_2Z_2之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以精確地描述踝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的位姿變化，以及與機(jī)器人整體坐標(biāo)系的關(guān)系。通過(guò)建立這些坐標(biāo)系，明確了各關(guān)節(jié)變量與機(jī)器人位姿的關(guān)系。髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量（屈伸角度\theta_{1x}、內(nèi)收外展角度\theta_{1y}、旋轉(zhuǎn)角度\theta_{1z}）、膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量（屈伸角度\theta_{2z}）以及踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量（背屈跖屈角度\theta_{3x}、內(nèi)翻外翻角度\theta_{3y}）可以通過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣，與機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中的位姿（位置坐標(biāo)[x,y,z]和姿態(tài)角度[\alpha,\beta,\gamma]）建立起數(shù)學(xué)聯(lián)系。這種聯(lián)系為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解和動(dòng)力學(xué)分析提供了基礎(chǔ)，使得我們能夠通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)變量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位姿的精確控制。4.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解在建立了各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)D-H參數(shù)法推導(dǎo)仿人機(jī)器人下肢的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用于求解已知關(guān)節(jié)角度時(shí)機(jī)器人末端（如腳底）的位姿，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程則用于求解已知末端位姿時(shí)各關(guān)節(jié)的角度。對(duì)于正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的推導(dǎo)，首先確定各關(guān)節(jié)的D-H參數(shù)，包括關(guān)節(jié)偏距d、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角\theta、連桿長(zhǎng)度a和連桿扭轉(zhuǎn)角\alpha。以髖關(guān)節(jié)為例，假設(shè)其D-H參數(shù)為d_1、\theta_{1x}、a_1、\alpha_1（在不同的運(yùn)動(dòng)方向上，\theta會(huì)有不同的取值，如\theta_{1x}表示屈伸方向的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角），根據(jù)D-H參數(shù)建立齊次變換矩陣A_1，該矩陣描述了從髖關(guān)節(jié)坐標(biāo)系O_1-X_1Y_1Z_1到全局坐標(biāo)系O-XYZ的轉(zhuǎn)換關(guān)系。同理，對(duì)于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，分別建立齊次變換矩陣A_2和A_3。通過(guò)依次左乘各關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣，即T=A_1A_2A_3，得到從全局坐標(biāo)系到機(jī)器人末端坐標(biāo)系的總變換矩陣T?？傋儞Q矩陣T中的元素包含了機(jī)器人末端在全局坐標(biāo)系中的位置信息（x,y,z）和姿態(tài)信息（旋轉(zhuǎn)矩陣），從而建立了正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。當(dāng)給定髖關(guān)節(jié)的屈伸角度為\theta_{1x}=30^{\circ}，內(nèi)收外展角度\theta_{1y}=10^{\circ}，旋轉(zhuǎn)角度\theta_{1z}=20^{\circ}，膝關(guān)節(jié)屈伸角度\theta_{2z}=40^{\circ}，踝關(guān)節(jié)背屈跖屈角度\theta_{3x}=15^{\circ}，內(nèi)翻外翻角度\theta_{3y}=5^{\circ}時(shí)，通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以計(jì)算出機(jī)器人末端（腳底）在全局坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)和姿態(tài)角度，從而確定機(jī)器人的位姿。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)樗且粋€(gè)多解問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用數(shù)值迭代的方法進(jìn)行求解。以機(jī)器人在行走過(guò)程中需要將腳底移動(dòng)到特定位置(x_d,y_d,z_d)且具有特定姿態(tài)[\alpha_d,\beta_d,\gamma_d]為例，首先給定各關(guān)節(jié)角度的初始值，然后根據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算當(dāng)前關(guān)節(jié)角度下機(jī)器人末端的位姿。將計(jì)算得到的位姿與目標(biāo)位姿進(jìn)行比較，得到位姿誤差。通過(guò)迭代算法，不斷調(diào)整各關(guān)節(jié)角度，使得位姿誤差逐漸減小，直到滿足預(yù)設(shè)的精度要求。常用的迭代算法有牛頓-拉夫遜法等，在迭代過(guò)程中，根據(jù)位姿誤差和雅克比矩陣，計(jì)算出各關(guān)節(jié)角度的修正量，從而逐步逼近目標(biāo)關(guān)節(jié)角度。正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立和求解，對(duì)于分析關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與末端位姿的關(guān)系具有重要意義。通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可以預(yù)測(cè)機(jī)器人在不同關(guān)節(jié)角度下的末端位姿，為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制提供依據(jù)。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程則可以根據(jù)目標(biāo)末端位姿，計(jì)算出所需的關(guān)節(jié)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制。在機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜動(dòng)作，如上下樓梯、跨越障礙物時(shí)，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解出合適的關(guān)節(jié)角度，能夠使機(jī)器人順利完成任務(wù)，提高其運(yùn)動(dòng)的靈活性和適應(yīng)性。4.2動(dòng)力學(xué)建模與分析4.2.1動(dòng)力學(xué)方程建立為了深入研究仿人機(jī)器人下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況和運(yùn)動(dòng)特性，基于拉格朗日方程建立其動(dòng)力學(xué)模型。拉格朗日方程是分析力學(xué)中的重要方程，它從能量的角度出發(fā)，描述了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為，能夠有效地處理多自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，首先確定系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)。對(duì)于仿人機(jī)器人下肢，選擇髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度作為廣義坐標(biāo)，分別記為\theta_1、\theta_2、\theta_3（其中\(zhòng)theta_1包含髖關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度角度，\theta_2為膝關(guān)節(jié)的屈伸角度，\theta_3包含踝關(guān)節(jié)的背屈跖屈和內(nèi)翻外翻角度）。這些廣義坐標(biāo)能夠唯一地確定機(jī)器人下肢的位姿，通過(guò)對(duì)它們的分析可以全面了解機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然后，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能。動(dòng)能包括各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能以及連桿的平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。以髖關(guān)節(jié)為例，其轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為K_{r1}=\frac{1}{2}I_{1}\dot{\theta}_{1}^2，其中I_{1}為髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，\dot{\theta}_{1}為髖關(guān)節(jié)的角速度。連桿的平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能根據(jù)其質(zhì)量分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于大腿連桿，其平動(dòng)動(dòng)能為K_{t1}=\frac{1}{2}m_{1}v_{1}^2，其中m_{1}為大腿連桿的質(zhì)量，v_{1}為其質(zhì)心的速度；轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為K_{r1l}=\frac{1}{2}I_{1l}\omega_{1}^2，其中I_{1l}為大腿連桿繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，\omega_{1}為其角速度。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的動(dòng)能計(jì)算方法類似。系統(tǒng)的勢(shì)能主要包括重力勢(shì)能，重力勢(shì)能與各連桿的質(zhì)量和高度有關(guān)。以大腿連桿為例，其重力勢(shì)能為U_{1}=m_{1}gh_{1}，其中g(shù)為重力加速度，h_{1}為大腿連桿質(zhì)心的高度。根據(jù)拉格朗日方程L=K-U（其中L為拉格朗日函數(shù)，K為系統(tǒng)動(dòng)能，U為系統(tǒng)勢(shì)能），對(duì)拉格朗日函數(shù)求關(guān)于廣義坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)，并代入拉格朗日方程\fracjb1tjv5{dt}(\frac{\partialL}{\partial\dot{\theta}_{i}})-\frac{\partialL}{\partial\theta_{i}}=\tau_{i}（i=1,2,3，\tau_{i}為廣義力），得到機(jī)器人下肢的動(dòng)力學(xué)方程。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，廣義力\tau_{i}包括電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩、摩擦力矩以及其他外力矩。摩擦力矩可以根據(jù)關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，其他外力矩則根據(jù)具體的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景和受力情況進(jìn)行分析。通過(guò)建立的動(dòng)力學(xué)方程，可以分析在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)的受力情況。在機(jī)器人行走的支撐相，髖關(guān)節(jié)需要承受較大的壓力和扭矩，通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程可以計(jì)算出此時(shí)髖關(guān)節(jié)所受的力和力矩，為關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和材料選擇提供依據(jù)。同時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程也為后續(xù)的控制算法設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)方程的分析，可以確定控制機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制。4.2.2繩索拉力計(jì)算根據(jù)建立的動(dòng)力學(xué)方程，求解關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)繩索所需的拉力。在機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，繩索的拉力是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確計(jì)算繩索拉力對(duì)于優(yōu)化繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制具有重要意義。以髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)為例，當(dāng)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，模擬髂腰肌和臀大肌功能的繩索分別提供拉力。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如角度、角速度和角加速度）以及所受的外力（如重力、地面反作用力等），可以計(jì)算出此時(shí)繩索所需的拉力。假設(shè)在某一時(shí)刻，髖關(guān)節(jié)的屈伸角度為\theta_{1x}，角速度為\dot{\theta}_{1x}，角加速度為\ddot{\theta}_{1x}，通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程可以得到：\tau_{1x}=I_{1x}\ddot{\theta}_{1x}+C_{1x}\dot{\theta}_{1x}+G_{1x}其中\(zhòng)tau_{1x}為髖關(guān)節(jié)屈伸方向上的廣義力，I_{1x}為髖關(guān)節(jié)在屈伸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C_{1x}為阻尼系數(shù)，G_{1x}為重力產(chǎn)生的力矩。而繩索的拉力T_{1x}與廣義力\tau_{1x}之間存在一定的關(guān)系，通過(guò)力的平衡和幾何關(guān)系可以推導(dǎo)得出。在忽略一些次要因素的情況下，繩索拉力T_{1x}可以表示為：T_{1x}=\frac{\tau_{1x}}{r_{1x}}其中r_{1x}為繩索在髖關(guān)節(jié)處的作用半徑。通過(guò)這種方式，可以計(jì)算出在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下模擬髂腰肌和臀大肌功能的繩索所需的拉力。同理，對(duì)于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，也可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出相應(yīng)繩索的拉力。在膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)，模擬股四頭肌的繩索拉力T_{2}可以通過(guò)類似的方法計(jì)算得出。根據(jù)膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和所受外力，得到膝關(guān)節(jié)伸展方向上的廣義力\tau_{2}，然后根據(jù)繩索與膝關(guān)節(jié)的連接方式和幾何關(guān)系，計(jì)算出繩索拉力T_{2}。分析拉力隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人行走的一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，繩索拉力呈現(xiàn)出周期性的變化。在支撐相初期，由于身體重量的作用和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，繩索拉力較大；隨著身體重心的轉(zhuǎn)移和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，繩索拉力逐漸減??；在擺動(dòng)相，繩索拉力相對(duì)較小，但仍然需要提供一定的拉力來(lái)維持關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)。在跑步時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)速度和加速度的增加，繩索拉力的峰值會(huì)比行走時(shí)更大，且變化更加劇烈。通過(guò)對(duì)繩索拉力的計(jì)算和分析，可以為繩索的選型和強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)計(jì)算得到的最大拉力和拉力變化范圍，選擇合適強(qiáng)度和規(guī)格的繩索，以確保繩索在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠安全可靠地工作。同時(shí)，這些分析結(jié)果也有助于優(yōu)化繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整繩索的拉力，使機(jī)器人下肢能夠更加穩(wěn)定、靈活地運(yùn)動(dòng)。4.3仿真分析與驗(yàn)證4.3.1仿真軟件選擇與模型建立為了深入研究繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力學(xué)特性，選擇ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）軟件進(jìn)行仿真分析。ADAMS是一款廣泛應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的專業(yè)軟件，它能夠?qū)Χ囿w系統(tǒng)進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模和仿真，通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)和受力情況，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在ADAMS軟件中建立機(jī)器人下肢的虛擬樣機(jī)模型時(shí)，首先導(dǎo)入在三維建模軟件（如SolidWorks）中創(chuàng)建的仿人機(jī)器人下肢三維模型。導(dǎo)入后，對(duì)模型進(jìn)行必要的處理和設(shè)置。根據(jù)實(shí)際材料屬性，為下肢的各個(gè)部件，如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及連桿等，設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)，包括密度、彈性模量、泊松比等。對(duì)于髖關(guān)節(jié)支架，設(shè)置其材料為鋁合金，密度為2.7g/cm3，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，這些參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映鋁合金材料的力學(xué)性能，使仿真結(jié)果更加真實(shí)可靠。在模型中添加各種約束，以模擬真實(shí)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和連接方式。在髖關(guān)節(jié)處，添加球鉸約束，使其能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)髖關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收外展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在膝關(guān)節(jié)處，添加轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，模擬膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)。在踝關(guān)節(jié)處，添加萬(wàn)向節(jié)約束，使其能夠?qū)崿F(xiàn)背屈、跖屈以及內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)。這些約束的設(shè)置能夠準(zhǔn)確地模擬機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，為后續(xù)的仿真分析提供了基礎(chǔ)。設(shè)置繩索驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，包括繩索的彈性系數(shù)、預(yù)緊力等。根據(jù)選用的芳綸纖維繩索的特性，設(shè)置其彈性系數(shù)為[具體彈性系數(shù)值]，預(yù)緊力為[具體預(yù)緊力值]。彈性系數(shù)的設(shè)置影響著繩索在受力時(shí)的伸長(zhǎng)和收縮特性，預(yù)緊力則能夠保證繩索在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終處于張緊狀態(tài)，確保驅(qū)動(dòng)的可靠性。同時(shí)，定義電機(jī)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，根據(jù)機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)需求，設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。在行走運(yùn)動(dòng)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩會(huì)隨著步態(tài)周期的變化而變化，通過(guò)合理設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)情況。通過(guò)以上步驟，在ADAMS軟件中建立了準(zhǔn)確的仿人機(jī)器人下肢虛擬樣機(jī)模型，為后續(xù)的仿真分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.3.2仿真結(jié)果分析在建立了仿人機(jī)器人下肢的虛擬樣機(jī)模型后，對(duì)其進(jìn)行不同運(yùn)動(dòng)工況下的仿真，以分析關(guān)節(jié)角度、速度、加速度以及繩索拉力的變化曲線，驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。在行走運(yùn)動(dòng)工況的仿真中，設(shè)置機(jī)器人以一定的步長(zhǎng)和步速進(jìn)行行走。通過(guò)仿真得到髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的關(guān)節(jié)角度變化曲線。在一個(gè)典型的步態(tài)周期內(nèi)，髖關(guān)節(jié)的屈伸角度在初始著地時(shí)約為[具體角度值1]，隨著身體重心的轉(zhuǎn)移，在站立中期逐漸減小至[具體角度值2]，在蹬離期又增大至[具體角度值3]，呈現(xiàn)出周期性的變化。膝關(guān)節(jié)的屈伸角度在初始著地時(shí)較大，約為[具體角度值4]，在站立中期逐漸減小至[具體角度值5]，在蹬離期再次增大至[具體角度值6]，這種變化與人體行走時(shí)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符。踝關(guān)節(jié)的背屈跖屈角度也呈現(xiàn)出相應(yīng)的周期性變化，在初始著地時(shí)踝關(guān)節(jié)處于背屈狀態(tài)，角度約為[具體角度值7]，隨著支撐相的進(jìn)行，逐漸過(guò)渡到跖屈狀態(tài)，角度約為[具體角度值8]，在蹬離期達(dá)到最大跖屈角度[具體角度值9]。通過(guò)與人體行走的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真得到的關(guān)節(jié)角度變化曲線與人體行走的規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型在描述關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方面的準(zhǔn)確性。分析關(guān)節(jié)速度和加速度的變化曲線，在行走過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的速度和加速度也呈現(xiàn)出周期性的變化。在步態(tài)周期的不同階段，關(guān)節(jié)的速度和加速度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在蹬離期，關(guān)節(jié)的加速度會(huì)達(dá)到較大值，以提供足夠的動(dòng)力推動(dòng)身體前進(jìn)。通過(guò)對(duì)速度和加速度變化曲線的分析，能夠了解機(jī)器人下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，為優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制策略提供依據(jù)。對(duì)于繩索拉力的變化曲線，在行走過(guò)程中，不同繩索的拉力也呈現(xiàn)出周期性的變化。模擬臀大肌功能的繩索在髖關(guān)節(jié)伸展時(shí)拉力增大，模擬髂腰肌功能的繩索在髖關(guān)節(jié)屈曲時(shí)拉力增大。在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，模擬臀大肌功能的繩索拉力在蹬離期達(dá)到最大值，約為[具體拉力值1]，在擺動(dòng)相拉力較小，約為[具體拉力值2]。通過(guò)對(duì)繩索拉力變化曲線的分析，能夠了解繩索在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況，為繩索的選型和強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在跑步運(yùn)動(dòng)工況的仿真中，設(shè)置機(jī)器人以較快的速度進(jìn)行跑步。與行走工況相比，跑步時(shí)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和速度明顯增大。髖關(guān)節(jié)的屈伸角度變化范圍更大，速度更快，在一個(gè)跑步周期內(nèi)，髖關(guān)節(jié)的最大屈伸角度達(dá)到[具體角度值10]，角速度峰值約為[具體角速度值]。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和速度也相應(yīng)增大，膝關(guān)節(jié)的屈伸角度在跑步時(shí)變化更加劇烈，踝關(guān)節(jié)的背屈跖屈角度和速度也明顯增加。繩索拉力的變化也更加劇烈，由于跑步時(shí)運(yùn)動(dòng)速度和加速度的增加，繩索需要提供更大的拉力來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，模擬股四頭肌功能的繩索在膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)的拉力峰值比行走時(shí)增大了[具體百分比]。通過(guò)對(duì)跑步工況下仿真結(jié)果的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型在不同運(yùn)動(dòng)工況下的有效性，同時(shí)也為機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的性能優(yōu)化提供了參考。通過(guò)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)工況下的仿真結(jié)果分析，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。仿真得到的關(guān)節(jié)角度、速度、加速度以及繩索拉力的變化曲線與理論分析和實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況相符，為仿人機(jī)器人下肢的設(shè)計(jì)和控制提供了有力的支持。同時(shí)，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的深入分析，也能夠發(fā)現(xiàn)機(jī)器人下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在的問(wèn)題和不足之處，為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方向。五、實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析5.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建為了對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢進(jìn)行全面的性能測(cè)試和驗(yàn)證，搭建了一套完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。機(jī)器人本體是實(shí)驗(yàn)的核心對(duì)象，采用前文設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)，通過(guò)3D打印和機(jī)械加工等工藝制造而成。在制造過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和尺寸精度進(jìn)行加工，確保機(jī)器人下肢的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。采用碳纖維復(fù)合材料制作大腿和小腿的連桿，利用鋁合金材料制造關(guān)節(jié)支架和連接件，通過(guò)高精度的機(jī)械加工工藝，保證了各部件的尺寸精度和表面質(zhì)量。在裝配過(guò)程中，對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行了精細(xì)的調(diào)試和校準(zhǔn)，確保關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)靈活性和精度。機(jī)器人本體的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)均采用繩索-齒輪混合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)，為實(shí)驗(yàn)提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，主要由電機(jī)、減速器、繩索和滑輪等部件組成。電機(jī)選用直流無(wú)刷電機(jī)，其具有高效、響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足機(jī)器人下肢對(duì)動(dòng)力的需求。根據(jù)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和負(fù)載要求，為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別配備了不同功率的直流無(wú)刷電機(jī)。減速器用于降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高輸出扭矩，以滿足機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的需要。繩索采用芳綸纖維繩索，具有高強(qiáng)度、低密度和良好的柔韌性等特點(diǎn)，能夠在傳遞動(dòng)力的同時(shí)，保證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的柔順性?；嗊x用鋁合金材質(zhì)，表面經(jīng)過(guò)特殊處理，以降低繩索與滑輪之間的摩擦系數(shù)，提高傳動(dòng)效率。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)繩索的收放，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器和傳感器等組成?？刂破鞑捎酶咝阅艿那度胧娇刂破?，如STM32系列微控制器，其具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的接口資源，能夠?qū)崟r(shí)處理各種控制指令和傳感器數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)器用于接收控制器發(fā)送的控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的精確調(diào)節(jié)。傳感器包括關(guān)節(jié)角度傳感器、力傳感器和加速度傳感器等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況。關(guān)節(jié)角度傳感器采用光電編碼器，能夠精確測(cè)量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；力傳感器用于測(cè)量繩索的拉力和關(guān)節(jié)所受的外力；加速度傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人下肢的加速度變化。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制算法，對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。測(cè)量設(shè)備用于對(duì)機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)量和分析，主要包括運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、力測(cè)量?jī)x和數(shù)據(jù)采集卡等。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，通過(guò)多個(gè)攝像頭對(duì)機(jī)器人下肢上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，獲取機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)信息。力測(cè)量?jī)x用于測(cè)量機(jī)器人下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的地面反作用力和關(guān)節(jié)力，為動(dòng)力學(xué)分析提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)采集卡用于采集傳感器和測(cè)量設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。通過(guò)這些測(cè)量設(shè)備，可以對(duì)機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的評(píng)估，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制策略提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各部分的功能和作用相互關(guān)聯(lián)，機(jī)器人本體是運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為其提供動(dòng)力，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的精確控制，測(cè)量設(shè)備則用于對(duì)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。通過(guò)搭建這樣一個(gè)完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效地對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性和性能的優(yōu)越性。5.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了全面評(píng)估繩索驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)器人下肢的性能，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)方案，包括步行實(shí)驗(yàn)、爬坡實(shí)驗(yàn)和越障實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)方案旨在測(cè)試機(jī)器人下肢在不同運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)性能、穩(wěn)定性和適應(yīng)性，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制策略提供數(shù)據(jù)支持。步行實(shí)驗(yàn)是評(píng)估機(jī)器人下肢基本運(yùn)動(dòng)性能的重要實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)試機(jī)器人在平坦地面上的行走能力，包括行走速度、步長(zhǎng)、步態(tài)穩(wěn)定性等指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，將機(jī)器人放置在平坦的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中央，通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定機(jī)器人的初始位置和姿態(tài)。然后，啟動(dòng)機(jī)器人，使其按照預(yù)設(shè)的步行模式開(kāi)始行走。在行走過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)信息，同時(shí)利用力測(cè)量?jī)x測(cè)量機(jī)器人在行走過(guò)程中所受到的地面反作用力。最后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，分析機(jī)器人的行走速度、步長(zhǎng)、步態(tài)周期等參數(shù)，并評(píng)估其步態(tài)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)不同步行速度和步長(zhǎng)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以了解機(jī)器人下肢在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的性能表現(xiàn)，為優(yōu)化步行控制算法提供依據(jù)。爬坡實(shí)驗(yàn)主要用于測(cè)試機(jī)器人下肢在斜坡地形上的運(yùn)動(dòng)能力和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)估機(jī)器人在不同坡度的斜坡上行走時(shí)的爬坡能力、穩(wěn)定性以及對(duì)地形的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)步驟為：在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地搭建不同坡度的斜坡，將機(jī)器人放置在斜坡底部。通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定機(jī)器人的爬坡目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，啟動(dòng)機(jī)器人使其開(kāi)始爬坡。在爬坡過(guò)程中，利用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)監(jiān)測(cè)機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)變化，同時(shí)使用力測(cè)量?jī)x測(cè)量機(jī)器人在爬坡過(guò)程中所受到的地面反作用力和關(guān)節(jié)力。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，分析機(jī)器人的爬坡速度、爬坡角度、能量消耗等參數(shù)，并評(píng)估其在不同坡度斜坡上的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)不同坡度斜坡上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以了解機(jī)器人下肢在斜坡地形上的運(yùn)動(dòng)特性，為開(kāi)發(fā)適應(yīng)斜坡地形的運(yùn)動(dòng)控制策略提供參考。越障實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)試機(jī)器人下肢在面對(duì)障礙物時(shí)的跨越能力和運(yùn)動(dòng)靈活性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)估機(jī)器人在跨越不同高度和寬度障礙物時(shí)的越障能力、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力以及對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)步驟如下：在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)置不同高度和寬度的障礙物，將機(jī)器人放置在障礙物前方。通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定機(jī)器人的越障目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃參數(shù)，啟動(dòng)機(jī)器人使其開(kāi)始跨越障礙物。在越障過(guò)程中，利用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)記錄機(jī)器人下肢的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)變化，同時(shí)使用力測(cè)量?jī)x測(cè)量機(jī)器人在越障過(guò)程中所受到的地面反作用力和關(guān)節(jié)力。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，分析機(jī)器人的越障成功率、越障時(shí)間、能量消耗等參數(shù)，并評(píng)估其在不同障礙物條件下的運(yùn)動(dòng)靈活性和適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)不同障礙物條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以了解機(jī)器人下肢在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)性能，為優(yōu)化越障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法提供依據(jù)。在上述各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量參數(shù)主要包括關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速度、繩索拉力、地面反作用力等。關(guān)節(jié)角度通過(guò)關(guān)節(jié)角度傳感器進(jìn)行測(cè)量，關(guān)節(jié)速度和加速度通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)的微分和積分計(jì)算得到。繩索拉力通過(guò)力傳感器測(cè)量，地面反作用力通過(guò)力測(cè)量?jī)x測(cè)量。這些測(cè)量參數(shù)能夠全面反映機(jī)器人下肢在不同運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和評(píng)估提供了重要的數(shù)據(jù)支持。5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在步行實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和力測(cè)量?jī)x采集的數(shù)據(jù)，得到了機(jī)器人下肢在行走過(guò)程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人能夠在平坦地面上穩(wěn)定行走，行走速度可達(dá)到[X]m/s，步長(zhǎng)為[X]cm，與仿真結(jié)果相比，行走速度和步長(zhǎng)的誤差在可接受范圍內(nèi)，分別為[X]%和[X]%。這表明動(dòng)力學(xué)模型在預(yù)測(cè)機(jī)器人行走性能方面具有較高的準(zhǔn)確性，同時(shí)也驗(yàn)證了繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的有效性。在步態(tài)穩(wěn)定性方面，通過(guò)分析關(guān)節(jié)角度和地面反作用力的變化，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在行走過(guò)程中能夠保持較好的平衡，步態(tài)較為穩(wěn)定。在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度變化規(guī)律與仿真結(jié)果基本一致，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性良好。地面反作用力的分布也較為合理，在支撐相和擺動(dòng)相的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能夠平穩(wěn)過(guò)渡，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的沖擊和波動(dòng)。這說(shuō)明機(jī)器人下肢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略能夠有效地保證行走的穩(wěn)定性，繩索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柔順性在一定程度上能夠緩沖地面反作用力，減少?zèng)_擊對(duì)機(jī)器人的影響。爬坡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，機(jī)器人能夠成功爬上坡度為[X]°的斜坡，爬坡速度為[X]m/s。在爬坡過(guò)程中，機(jī)器人下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，能夠根據(jù)斜坡的坡度和地形變化及時(shí)調(diào)整姿態(tài)。通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)力和繩索拉力的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增加，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)所承受的力明顯增大，繩索拉力也相應(yīng)增加。與仿真結(jié)果對(duì)比，關(guān)節(jié)力和繩索拉力的變化趨勢(shì)一致，但在具體數(shù)值上存在一定的誤差，最大誤差為[X]%。這可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一些不可控因素，如地面摩擦力的變化、機(jī)器人自身的振動(dòng)等，影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。不過(guò)，總體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人下肢在斜坡地形上的運(yùn)動(dòng)能力和動(dòng)力學(xué)模型的有效性。越障實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人能夠成功跨越高度為[X]cm、寬度為[X]cm的障礙物，越障成功率達(dá)到[X]%。在越障過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，合理調(diào)整下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)障礙物的有效跨越。通過(guò)對(duì)越障過(guò)程中關(guān)節(jié)角度、速度和加速度的分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人能夠在短時(shí)間內(nèi)快速調(diào)整關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以適應(yīng)障礙物的高度和寬度。與仿真結(jié)果相比，關(guān)節(jié)角度和速度的誤差較小，分別為[X]%和[X]%，但加速度的誤差相對(duì)較大，為[X]%。這可能是因?yàn)樵趯?shí)際越障過(guò)程中，機(jī)器人受到的外界干擾較多，導(dǎo)致加速度的變化較為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)越障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，驗(yàn)證了機(jī)器人下肢在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)靈活性和適應(yīng)性，以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的有效性。綜合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢在運(yùn)動(dòng)性能方面表現(xiàn)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的行走、爬坡和越障等運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)機(jī)器人下肢在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的性能，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制提供了有力的理論支持。繩索驅(qū)動(dòng)方式在提高機(jī)器人下肢柔順性和運(yùn)動(dòng)靈活性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠有效地吸收末端沖擊，保護(hù)機(jī)構(gòu)不受損傷。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的誤差，這需要進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量方法，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人下肢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法，提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和適應(yīng)性，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。六、應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)6.1應(yīng)用領(lǐng)域探索繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，可用于輔助下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。對(duì)于因腦卒中、脊髓損傷等原因?qū)е孪轮\(yùn)動(dòng)功能受損的患者，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方式往往依賴醫(yī)護(hù)人員的手動(dòng)輔助，效率較低且難以保證訓(xùn)練的精準(zhǔn)性和一致性。繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢可以根據(jù)患者的具體情況，制定個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練方案。通過(guò)精確控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度和速度，模擬人類正常的行走、跑步等動(dòng)作，為患者提供穩(wěn)定、持續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，機(jī)器人下肢的柔順性能夠很好地適應(yīng)患者的身體狀況，避免因剛性運(yùn)動(dòng)對(duì)患者造成二次傷害?；颊呖梢栽跈C(jī)器人的輔助下進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練，逐漸恢復(fù)下肢的肌肉力量和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。在救援領(lǐng)域，繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在地震、火災(zāi)等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境復(fù)雜危險(xiǎn)，人類救援人員難以深入其中。仿人機(jī)器人可以憑借其靈活的運(yùn)動(dòng)能力，在廢墟中穿梭，尋找幸存者和進(jìn)行物資運(yùn)輸。機(jī)器人下肢的柔順性使其能夠在不平整的地面上穩(wěn)定行走，并且在遇到障礙物時(shí)能夠通過(guò)自身的柔性變形來(lái)避免損壞。在地震后的廢墟中，機(jī)器人可以利用其多關(guān)節(jié)的靈活性，攀爬過(guò)倒塌的建筑物，到達(dá)救援人員難以到達(dá)的區(qū)域，為被困人員提供幫助。在服務(wù)領(lǐng)域，仿人機(jī)器人可以作為家庭服務(wù)機(jī)器人，為老年人和殘疾人提供日常生活幫助。在日常生活中，幫助老年人上下樓梯是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢能夠根據(jù)樓梯的高度和坡度，精確控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的上下樓梯動(dòng)作。在陪伴老年人散步時(shí)，機(jī)器人可以根據(jù)老年人的行走速度和步長(zhǎng)，調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提供安全、舒適的陪伴服務(wù)。在工業(yè)制造領(lǐng)域，仿人機(jī)器人可以在一些危險(xiǎn)或惡劣的工作環(huán)境中代替人類進(jìn)行作業(yè)。在化工生產(chǎn)中，某些工作區(qū)域存在有毒有害氣體，對(duì)人體健康造成威脅。仿人機(jī)器人可以進(jìn)入這些區(qū)域，完成物料搬運(yùn)、設(shè)備維護(hù)等任務(wù)。其繩索驅(qū)動(dòng)的下肢能夠靈活地適應(yīng)不同的工作場(chǎng)景，提高工作效率和安全性。在教育和科研領(lǐng)域，仿人機(jī)器人可以作為教學(xué)工具和研究平臺(tái)，幫助學(xué)生和科研人員更好地理解人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理。通過(guò)對(duì)仿人機(jī)器人下肢的操作和研究，學(xué)生可以直觀地了解人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和控制方法，提高學(xué)習(xí)效果?？蒲腥藛T可以利用仿人機(jī)器人進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)研究，探索新的運(yùn)動(dòng)控制算法和機(jī)器人設(shè)計(jì)理念。6.2面臨的挑戰(zhàn)與解決方案在實(shí)際應(yīng)用中，繩索驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)器人下肢面臨著一系列挑戰(zhàn)。繩索磨損是一個(gè)較為突出的問(wèn)題，