基于人体仿生的机器人足踝部的设计与研究

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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。
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