具有质量分布特征的仿生双足完全被动步行机

发布时间：2017-12-23 01:01

本文关键词：具有质量分布特征的仿生双足完全被动步行机　出处：《吉林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：主动双足行走机器人大多存在能耗高、效率低、步态不自然、控制系统复杂等问题,尤其先进的仿人机器人需要大量的能源,增加了凭借电池存储能源的困难,严重制约其应用发展前景。人类是直立行走的高级动物,灵巧的运动机构和机敏的运动模式使其成为了双足行走方面的专家,能够在各种复杂的环境中实现稳定、高效、自然的行走。在行走方面,人类相比主动机器人具有能量消耗低、行走稳定、步态自然等显著特点,从而为新型双足步行机的研制提供了天然的生物模本。基于被动行走动力学的机器人比主动步行机器人在步态自然和能量消耗方面均体现出一定的优势,但在步态和能效方面与人类本身相比还存在着很大的差距。为了充分借鉴大自然赋予人类在行走时所具有的动力学特性,从仿生学角度出发,本文选择人体下肢作为仿生原型,对具有类似人体下肢质量分布特征的完全被动双足仿生步行机进行了仿生研究,以期为新型节能双足步行机的研制提供重要技术参考。本文利用运动学数据采集装置记录了在常速行走过程中人体下肢膝关节和踝关节的关节角度变化规律,研究发现,在一个完整的步态周期内,踝关节角度的变化范围为74.14-122.96度,膝关节角度的变化范围为115.54-179.53度。基于美国“虚拟人”数据,通过三维建模软件Amira建立人体下肢骨骼-肌肉系统三维实体模型;结合解剖学,将骨骼-肌肉模型分割为大腿、小腿、足部三个环节,基于Solidworks软件对该模型中的骨骼和肌肉等组织分别赋予相应密度,计算了各组织的质量,并提取了各环节的质量、质心坐标、惯性主轴、总体长度等相关数据。基于所提取的数据对功能性髋关节、膝关节、踝关节及大、小腿和足部的进行了仿生设计。考虑到肌肉在运动中的功能特性,本文选择在样机的膝关节及踝关节等处分别添加弹簧等柔性元件,并采用机加工制造出了完全被动仿生步行机的大腿、小腿、髋关节轴以及连接杆等部件。结合ProJet 5500X多材料3D打印机,选用ABS树脂材料,打印出了髋关节轴、髋关节轴套、髋关节套筒、膝关节轴套、轴承套筒、膝关节轴、踝关节连接件、踝关节底座以及足等具有相对复杂结构特征的部件。基于研制的具有质量分布特征的完全被动双足步行机,本文基于试验设计测试了在腿长、大小腿质量比以及腿间距三个因素下完全被动仿生步行机的行走距离和速度,并通过正交试验得出了影响仿生步行机行走距离和速度的显著因素,均为腿间距,最优组合是腿间距140mm,大小腿质量比3.27,腿长280mm。仿生步行机的最大步幅和步速均出现在最后一步,历时0.60s,步幅和步速分别为268.00mm、446.67mm/s。本文以人体下肢质量分布特征为仿生设计的切入点,开发了具有质量分布特征的完全被动仿生双足步行机,相关结论为新型双足机器人的开发与设计提供了新思路,具有重要的参考价值。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

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