一種擺腰式無膝雙足機器人的機構(gòu)設計及運動分析

一種擺腰式無膝雙足機器人的機構(gòu)設計及運動分析摘要：雙足機器人作為機器人領域中的一個研究熱點，已經(jīng)被廣泛地應用到人機交互、服務機器人等領域。設計一種無膝擺腰式雙足機器人，可以更好地模擬人類步態(tài)，提高機器人在環(huán)境中的穩(wěn)定性和靈活性。本文針對該機器人的機構(gòu)設計及運動特性進行了分析，并通過實驗驗證了其可行性和有效性。關鍵詞：雙足機器人，擺腰式，無膝，機構(gòu)設計，運動分析1.引言雙足機器人是一種能夠模擬人類步態(tài)的機器人，其具有廣泛的應用場景。隨著社會和科技的發(fā)展，雙足機器人的研究已經(jīng)成為機器人領域中的熱點問題之一。現(xiàn)有的雙足機器人主要分為有膝和無膝兩種類型。有膝雙足機器人在行走和運動中表現(xiàn)出人類的特征更加真實，但相應的機構(gòu)設計較為復雜，難以保證其穩(wěn)定性。相比之下，無膝雙足機器人的機構(gòu)設計相對簡單，但在行走和運動中的模擬能力無法做到與人類的步態(tài)接近。本文主要研究一種無膝擺腰式雙足機器人的機構(gòu)設計及運動特性，提高機器人在環(huán)境中的穩(wěn)定性和靈活性，模擬人類步態(tài)，具有較高的應用價值。2.機構(gòu)設計2.1機器人結(jié)構(gòu)該無膝擺腰式雙足機器人的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由擺腰機構(gòu)、兩條大腿和兩條小腿組成。（圖1無膝擺腰式雙足機器人的結(jié)構(gòu)示意圖）2.2擺腰機構(gòu)設計擺腰機構(gòu)是該機器人的核心部分，如圖2所示。該機構(gòu)是由一組平行四邊形的連桿機構(gòu)與一對電機組成。（圖2擺腰機構(gòu)設計圖）該連桿機構(gòu)的兩個支撐軸安裝在機器人的腰部，兩個連桿通過軸承連接，稱之為大連桿。兩個電機通過減速機連接，分別控制兩條連桿。每個連桿的末端連接一條小腿，可以使機器人踩踏地面。2.3大腿和小腿的設計大腿和小腿均為一個二桿架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。每個桿都由兩節(jié)依次連接，每一節(jié)的連接方式為各自的兩端連接一個轉(zhuǎn)動自由的球形關節(jié)。正前方的球形關節(jié)被固定在大腿上，對應的尺寸相等的負前方的球形關節(jié)被連接到小腿的末端，從而形成一個能夠模擬人類步態(tài)的腿部結(jié)構(gòu)。（圖3大腿和小腿的設計示意圖）3.運動分析3.1運動規(guī)劃機器人運動規(guī)劃主要包括兩個階段：步態(tài)分析和軌跡規(guī)劃。步態(tài)分析是指通過對人類步態(tài)的分析，確定雙足機器人行走時各桿件的相對角度和關節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。軌跡規(guī)劃是指通過對步態(tài)分析得到的數(shù)據(jù)，在空間中規(guī)劃機器人的運動軌跡。由于該機器人采用擺腰式結(jié)構(gòu)設計，可以采用簡單的步態(tài)分析和軌跡規(guī)劃方法。3.2運動模擬本文在MATLAB軟件中進行運動模擬，模擬及分析機器人在不同速度下的步態(tài)和穩(wěn)定性表現(xiàn)。圖4展示了機器人行走的模擬圖像。從圖中可以看出，機器人的步態(tài)較為穩(wěn)定，在不同速度下均能保持良好的穩(wěn)定性。（圖4機器人行走的運動模擬圖像）4.實驗驗證本文對設計的擺腰式無膝雙足機器人進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，機器人能夠以較高的速度行走，并可以克服地面的摩擦和傾斜度，保持較好的穩(wěn)定性和靈活性。同時，機器人的運動特性與人類步態(tài)模擬較好，能夠在實踐中發(fā)揮巨大的作用。5.結(jié)論本文設計了一種擺腰式無膝雙足機器人，通過比較不同類型雙足機器人的優(yōu)缺點，采用簡單的