基于人体仿生的机器人足踝部的设计与研究

摘要

足踝部是人体下肢行走过程中与地面直接接触的部分，不但承受着人体的重量，还能缓冲和吸收来自地面的冲击，推动人体稳定、柔顺的前进。为了使仿人机器人足踝部具有和人体足踝部相同的行走特性，本文从仿生学角度出发，参照了人体足踝部的基本结构，以及运动学和生物力学特征，设计一种具有两自由度柔性踝关节和足弓、足趾结构的仿生足踝部模型及其驱动模型，该模型将有助于仿人机器人稳定、柔顺、低功耗的行走。
　　全文主要包括三个方面的主要内容:(1)通过对人体足踝部的解剖学结构和运动特征的研究，了解到足踝部在人体正常步行过程中起主要作用的结构，以及该结构的运动学和动力学特征，并按仿生学原理初步设计了仿人机器人足踝部模型和驱动模型，绘制出了结构简图。(2)结合人体足踝部的实际尺寸，在Pro/engineer中建立仿生足踝部的三维实体模型，再结合人体足踝部的运动学和动力学数据，在Pro/engineer的机构运动仿真模块中进行静态仿真，得到仿生足踝部模型中弹簧和阻尼器的参数，以及柔索驱动力的大小。(3)结合人体足踝部的足底压力，以及柔索驱动力，在ADAMS软件中，通过定义模型的密度、约束和力驱动，创建仿生足踝部的动力学模型。设置合理的仿真参数对该模型进行动力学仿真，并将主要结构的仿真结果与实验数据进行对比分析，验证模型的可行性。
　　通过动力学仿真结果与实验数据的对比可以看出，仿生足踝部模型在仿人机器人行走的支撑相中，能够比较精确的模仿人体足踝部的运动特征，弹簧和阻尼器的添加也改善了仿生足踝部的柔性。仿生足踝部模型通过对人体足踝部的仿生，解决了仿人机器人下肢行走不稳定性和柔顺性的问题，降低了机器人行走的能量消耗，为仿人机器人足踝部的设计研究提供了一种新的思路。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外仿人机器人研究现状

1．2．2 国内外仿入机器人足踝部的研究现状

1．2．3 仿人机器人运动规划方法的研究现状

1．3 课题研究的主要内容和技术流程图

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文技术路线图

第二章 人体足踝部基本结构和行走特征

2．1 人体足踝部基本结构

2．1．1 足部的足弓

2．1．2 足踝部的关节

2．1．3 足踝部的韧带

2．2 人体足踝部步态的运动学特征

2．2．1 步态参数的定义

2．2．2 步态周期的划分

2．2．3 足踝部运动学实验与数据

2．3 人体足踝部步态的生物力学特征

2．3．1 踝关节压力

2．3．2 足底压力

2．3．3 足踝部的生物力学特征

2．4 本章小结

第三章 机器人足踝部的仿生设计

3．1 足踝部仿生学简化模型

3．1．1 足弓结构的仿生设计

3．1．2 踝关节的仿生设计

3．1．3 足踝部整体设计

3．2 仿生足踝部驱动的设计

3．2．1 仿生肌肉的性质

3．2．2 足踝部柔索的设计

3．3 本章小结

第四章 基于静态仿真的仿生足踝部参数设计

4．1 仿生足踝部的三维模型

4．1．1 足部的结构

4．1．2 踝关节的结构

4．1．3 仿生足踝部材料的选取

4．1．4 仿生肌肉和柔索的设计

4．2 仿生足踝部静态仿真

4．2．1 静态仿真过程

4．2．2 后跟触地支撑

4．2．3 后三点触地支撑

4．2．4 全足触地支撑

4．2．5 前三点触地支撑

4．2．6 大拇趾触地支撑

4．2．7 弹簧和阻尼器的参数

4．3 本章小结

第五章 仿生足踝部动力学仿真分析

5．1 仿生足踝部动力学模型的建立

5．1．1 几何模型的创建

5．1．2 运动副和连接的定义

5．1．3 驱动的添加

5．2 动力学仿真及结果分析

5．2．1 踝关节仿真结果分析

5．2．2 足部的仿真结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况