某雙足仿生機器人的整體機構(gòu)設(shè)計案例在雙足仿生機器人的研究過程中我認為其最為基礎(chǔ)也是作為核心的部分是機構(gòu)設(shè)計，這也是任何自主研發(fā)的機械中最基本的組成部分。想要讓仿生機器人達成模擬人類的效果，關(guān)節(jié)自由度需要無限近似于人體關(guān)節(jié)自由度數(shù)量以及自由度分配方式。然后就是差不多的外形、各個部件合理的質(zhì)量比。這一章會主要分析研究人的雙腿結(jié)構(gòu)，然后嘗試設(shè)計放人雙足機器人的腿部。1.1雙足機器人設(shè)計的特點分析有機體的運動系統(tǒng)通常都是有骨骼、連結(jié)體和肌肉共同組成的，一切的肢體行動包括支撐軀體保持穩(wěn)定都是基于神經(jīng)系統(tǒng)的控制下生效的。從圖2-1的人體骨骼構(gòu)造可以看出，我們體內(nèi)總共有二百零六塊骨骼，兩個骨骼間有軟骨和筋腱，按照一定的順序?qū)⑦@些骨骼拼接在一起，這才組成了我們的支撐骨架。骨架作為一套精細而又系統(tǒng)化的系統(tǒng)，是不容易進行創(chuàng)新改變的，也因此骨架在對我們的軀體起到支撐作用的同時還附著有伴生的多種體系像是供血系統(tǒng)等。圖2-1人體骨骼構(gòu)造圖骨骼和骨骼之間的連結(jié)被叫做骨連接，然后又可以細分成“直接連結(jié)”和“間接連結(jié)”，而關(guān)節(jié)因為其內(nèi)部有隙間腔室所以被劃分到了間接連結(jié)的骨連接范疇。學(xué)者們又將關(guān)節(jié)分為“活動關(guān)節(jié)”和“不動關(guān)節(jié)”。在這篇文章中所涉及到的關(guān)節(jié)設(shè)計分析只會是針對于活動關(guān)節(jié)。骨骼肌連結(jié)在骨骼上，在接收到神經(jīng)發(fā)出的信號后會進行收縮或者擴張，然后牽動關(guān)移動，實現(xiàn)整體的運動。如圖2-2所表現(xiàn)的那樣，主要運動形式可以分為屈伸、收展和旋轉(zhuǎn)三組動作。1，2-屈伸運動；3，4-內(nèi)收外展運動；5，6-內(nèi)旋外旋運動圖2-2下肢關(guān)節(jié)運動肌肉由肌肉細胞構(gòu)成。肌束的收縮動作就是結(jié)締組織和大量肌細胞共同完成的，軀體的動作以及內(nèi)臟的活動都離不開它。肌肉組織普遍地來講共有三種。這章只用到骨骼肌相關(guān)知識，其大多集中在關(guān)節(jié)處，用以輔助動作，每個關(guān)節(jié)都有兩組想對分布的骨骼肌，一直保持著一組收縮一組伸展的狀態(tài)，這樣才能使肢體的動作平穩(wěn)且有力。如圖2-3所示，可以簡稱為屈肌和伸肌。圖2-3肘關(guān)節(jié)屈肌和伸肌示意圖1.2雙足行走機器人的結(jié)構(gòu)分析雙腿最重要的關(guān)節(jié)是髖、膝和踝關(guān)節(jié)，主要的骨頭有骨盆、腳骨、小腿和大腿骨。1、髖關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)是股骨頭和髖臼構(gòu)成的。其中的半月板被軟骨裹著。髖關(guān)節(jié)的周圍由韌帶加強，位于髖關(guān)節(jié)前面，可以防止關(guān)節(jié)以一個方向過度拉伸，對保證身體的直立十分重要。髖關(guān)節(jié)的自由度較多，可以多方向運動，如圖2-4所示。圖2-4髖關(guān)節(jié)構(gòu)造及運動2、膝關(guān)節(jié)如圖2-5所示膝關(guān)節(jié)分為五部分，其中有三種骨質(zhì)，兩種軟體組織，有著固定的結(jié)合順序。分類上屬于滑車關(guān)節(jié)，有大量的韌帶，整體十分堅韌。常見的運動方式是屈伸運動，而且因為屈膝時的側(cè)邊韌帶會松弛，所以可以進行一定程度的旋轉(zhuǎn)。圖2-5膝關(guān)節(jié)構(gòu)造及運動3、踝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)的特點是前寬后窄，前后關(guān)節(jié)囊松弛，但是其中副韌帶是比較強韌的，因此踝關(guān)節(jié)才可以作屈伸運動，甚至于進行小范圍翻轉(zhuǎn)。如圖2-6。圖2-6踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)運動1.3雙足機器人的設(shè)計方案在對人類雙腿中的肌肉作用和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖析之后，我們可以總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論，就是肌肉樣式繁多，種類復(fù)雜，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)過于精細，如果想要完全照搬人體的結(jié)構(gòu)來設(shè)計機器人的支撐結(jié)構(gòu)的話，是十分困難的，不僅僅是細小零件因為沒有標(biāo)準(zhǔn)件需要專門定制的昂貴造價以及所選材料的強度負荷，而且本次設(shè)計的目的并非是商業(yè)化用途，僅僅用于實踐分析雙足結(jié)構(gòu)的動作機理，所以我將準(zhǔn)備制作的機器人進行了一定程度上的簡化，關(guān)節(jié)活動使用舵機代替，神經(jīng)信號的傳遞替換為樹莓派編程的電訊號控制。參考國內(nèi)外機器人成品的尺寸比例，然后在外觀以及驅(qū)動等部分進行有一定的創(chuàng)新。最終于較為平坦的環(huán)境拼裝機器人并進行測試。1.3.1機器人腿部自由度分配結(jié)合上一章對人類的軀體結(jié)構(gòu)進行的分析可知，髖關(guān)節(jié)用于旋轉(zhuǎn)、收展、屈伸動作，總體分配給髖關(guān)節(jié)的自由度只有3個。膝關(guān)節(jié)可以旋轉(zhuǎn)、屈伸動作，不過只有在屈膝時可以小幅度的旋轉(zhuǎn)，因此忽略不計，分配給膝關(guān)節(jié)1個自由度，剩下的兩個自由度分給踝關(guān)節(jié)。參考我國和國外的機器人成品可知，腿部至少需要6個自由度才能滿足基本活動。結(jié)合這些結(jié)論，人體腿部的自由度分配已經(jīng)清晰明了。再回顧第一章的機器人主流設(shè)計確定這次設(shè)計機構(gòu)也使用串并結(jié)合的方式。細分到單個的結(jié)構(gòu)上后，確立了如圖2-7所示的機器人腿部自由度配給。圖2-7自由度配置1.3.2機器人總體尺寸設(shè)計研究仿真雙足機器人之前要先剖析人類自身的構(gòu)造，人類經(jīng)過自然進化后結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近完美。因此先要研究透徹人體的相關(guān)數(shù)據(jù)，才能設(shè)計出不僅僅是外觀像人的機器人。為了便于設(shè)計，可以參考人類的身體比例。表2-1人體結(jié)構(gòu)尺寸測量項男（18-60歲）女（18-60歲）5％50％45％5％50％45％大腿長度0.420.460.50.40.440.48小腿長度0.330.370.40.310.340.38足寬0.080.10.10.080.090.1結(jié)合上文給出的自由度分配，得到如圖2-9所示的關(guān)節(jié)示意圖。圖2-9二自由度關(guān)節(jié)在結(jié)構(gòu)簡圖中，把導(dǎo)桿和上表面連接作為（P），連桿跟導(dǎo)桿以及下表面連接作為（S），兩個平臺的連接寫作（T），能夠繞著除了Y軸以外的其他軸旋轉(zhuǎn)，代入公式計算自由度:M=d（2-1）1.5雙足機器人姿態(tài)分析人體站立受擾后恢復(fù)平衡的實驗表明，站立姿態(tài)平衡的恢復(fù)是多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動過程，在平衡恢復(fù)過程中,髖關(guān)節(jié)對平衡恢復(fù)的貢獻最大，膝關(guān)節(jié)最小，因此本文將大腿和小腿視作一體，并將機器人各組成部分看作由具有質(zhì)量的剛性桿連接而成，分別將腳掌、大腿和小腿、軀干各視為一桿。這樣，就可以將前向平面內(nèi)具有欠驅(qū)動自由度的雙足機器人系統(tǒng)看作三關(guān)節(jié)體操機器人系統(tǒng)，仿人機器人的踝、髖關(guān)節(jié)分別對應(yīng)體操機器人的肩、髖關(guān)節(jié)，并將姿態(tài)穩(wěn)定控制問題轉(zhuǎn)化為垂直向上不穩(wěn)定平衡點的控制問題，模型如圖2-10所示。圖2-10雙足機器人欠驅(qū)動姿態(tài)模型表2-3雙足機器人模型參數(shù)參數(shù)長度[m]質(zhì)量[kg]質(zhì)心距[m]轉(zhuǎn)動慣量[kg·m2]摩擦力矩系數(shù)[N.ms]腳0.210.10.00330.03056腿0.6300.30.90.03056軀干0.6300.30.90.030561.6雙足機器人數(shù)學(xué)模型分析把雙足機器人看作是關(guān)節(jié)連接成的剛體，這樣易于建立數(shù)學(xué)模型。這個過程中主要采用兩種理論：歐拉方程和拉格朗日方程[18]。本文采用拉格朗日力學(xué)的方法建立三關(guān)節(jié)雙足機器人的動力學(xué)模型，也就是基于機器人運動時的能量來進行的。這種方法僅需計算機器人的動能和勢能，因而與牛頓的歐拉方程的方法相比更加簡潔，而且能夠充分反映機器人動力學(xué)結(jié)構(gòu)特征[17]。三關(guān)節(jié)雙足機器人的拉格朗日方程為d(2-2)其中，X=θT=（2-2）式（1.2）為系統(tǒng)在廣義坐標(biāo)下的動能；V=（2-3）式（1.3）為系統(tǒng)的勢函