仿生膝关节机器人模仿生物运动灵活性和自适应的特性,以实现在非结构环境下的稳定行走。人体膝关节作为人体最复杂的结构,其具有的灵活性、半自主复位和自锁的特性,能够与非结构化环境交互,保证人体稳定行走。为了使仿生膝关节机构具有和人体膝关节类似的行走功能,本文依据仿生学和张拉整体结构理论,通过仿生映射将人体膝关节形态结构和张拉整体结构有机融合,设计了一种兼具灵活性、半自主复位和自锁特性的仿生膝关节机构。具体研究内容如下:(1)人体膝关节多元耦合生物映射模型。基于仿生学理论和方法,提取和简化人体膝关节运动机理与形态结构,建立人体膝关节多元耦合生物映射模型;(2)张拉整体结构理论仿生映射机构。根据仿生膝关节机构原理图,通过张拉整体结构的理论和方法,运用仿生映射建立类似人体膝关节的机构;(3)仿生膝关节机构构型分析和稳定性判断。建立了机构的结点平衡方程并求解,实现机构构型分析;基于切线刚度矩阵的正定性,判断仿生膝关节机构的稳定性;(4)仿生膝关节机构的运动学分析。建立机构的映射模型,通过位置反解求解机构的弹簧单元长度变化量,根据人体膝关节特征参数确定仿生膝关节机构的尺寸参数。根据人体膝关节结构特点,对仿生膝关节机构进行运动学分析,得到弹簧形变量理论计算结果,匹配机构弹簧单元弹簧刚度,并通过静力平衡进行机构的弹簧刚度匹配,完成仿生膝关节机构运动学分析;(5)虚拟样机仿真与实验验证。通过Adams仿真验证仿生膝关节机构能够实现类似于人体膝关节的变化运动,将求解机构运动过程中弹簧单元刚度匹配到Adams中的机构,通过仿真输出弹簧单元形变量结果,将两种方式得到的结果进行对比,进一步验证理论方法的正确性。利用3D打印技术制造物理样机,并完成装配和调试。通过试验测试平台,运动模拟机构的屈曲运动和伸直运动测试,验证仿生膝关节机构具有类似于人体膝关节的屈曲和伸直运动状态和运动性能。本课题以人体膝关节为仿生模本,结合张拉整体结构理论和机构学设计方法实现了仿生膝关节机构构型设计,用于解决仿生机器人膝关节无法兼具灵活性、半自主复位的同时通过自身自锁的问题。