本文關(guān)鍵詞：具有質(zhì)量分布特征的仿生雙足完全被動步行機　出處：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)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(tǒng)復(fù)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(yán)重制約其應(yīng)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(gòu)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(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)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(xué)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(xiàn)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(xué)特性,從仿生學(xué)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(zhì)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(shù)參考。本文利用運動學(xué)數(shù)據(jù)采集裝置記錄了在常速行走過程中人體下肢膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),在一個完整的步態(tài)周期內(nèi),踝關(guān)節(jié)角度的變化范圍為74.14-122.96度,膝關(guān)節(jié)角度的變化范圍為115.54-179.53度�；诿绹疤摂M人”數(shù)據(jù),通過三維建模軟件Amira建立人體下肢骨骼-肌肉系統(tǒng)三維實體模型;結(jié)合解剖學(xué),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(yīng)密度,計算了各組織的質(zhì)量,并提取了各環(huán)節(jié)的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、慣性主軸、總體長度等相關(guān)數(shù)據(jù)�；谒崛〉臄�(shù)據(jù)對功能性髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及大、小腿和足部的進行了仿生設(shè)計�？紤]到肌肉在運動中的功能特性,本文選擇在樣機的膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)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(guān)節(jié)軸以及連接桿等部件。結(jié)合ProJet 5500X多材料3D打印機,選用ABS樹脂材料,打印出了髖關(guān)節(jié)軸、髖關(guān)節(jié)軸套、髖關(guān)節(jié)套筒、膝關(guān)節(jié)軸套、軸承套筒、膝關(guān)節(jié)軸、踝關(guān)節(jié)連接件、踝關(guān)節(jié)底座以及足等具有相對復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的部件。基于研制的具有質(zhì)量分布特征的完全被動雙足步行機,本文基于試驗設(shè)計測試了在腿長、大小腿質(zhì)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(zhì)量比3.27,腿長280mm。仿生步行機的最大步幅和步速均出現(xiàn)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(zhì)量分布特征為仿生設(shè)計的切入點,開發(fā)了具有質(zhì)量分布特征的完全被動仿生雙足步行機,相關(guān)結(jié)論為新型雙足機器人的開發(fā)與設(shè)計提供了新思路,具有重要的參考價值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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本文編號：1321748