【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仿人机器人，特别是一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法。
技术介绍
1、仿人机器人是机器人研究中最具挑战性的领域之。近年来，私营企业、大学和研究机构都在积极开展此类机器人的研究。由波士顿动力公司制造的atlas机器人在具备极高的运动性能。由韩国科学技术院(kaist)开发的hubo机器人，可以以1.25公里/小时的速度行走，并能前后举起100公斤重的物体。本田汽车公司研发的asimo机器人可以根据人类的声音、手势等指令做出相应的动作。此外还有日本schaft公司的hrp-2型机器人、日本国家先进工业技术研究院(aist)的hrp-4c型机器人、索尼公司的qrio型机器人、法国inriagrenoble研究所的bip2000型机器人、法国aldebaran robotics公司的nao机器人、美国宇航局的valkyrie机器人、中国北京理工大学的“慧童”机器人等也被用于研究。大多数生物力学研究都集中在对人类膝关节的研究上，因为膝关节在人的运动中更容易受伤，承受的压力最大。仿人机器人最常见的膝关节设计是单自由度设计，由马达驱动，如仿人机器人asimo、hubo、nao、huitong等。还有一些类人机器人的膝关节设计为单自由度，由液压系统驱动，如atlas机器人。许多研究者为类人机器人设计了一些新的结构。santos等人创造了一种新型的混合人形平台，该平台在膝关节处安装了被动式驱动器，使用弹性元件克服了马达的限制，避免了马达接近极限的操作，同时节约了能源。howard等人专利技术了一种膝盖结构，以减少摩擦，从而提高仿
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，针对现有技术的要求，结合人类膝关节的研究以设计仿人机器人的膝关节，通过模仿人类膝关节前、后交叉韧带和半月板的结构，设计了一种节能减振的仿人机器人膝关节结构。有效降低了仿人机器人在足底接触阶段的冲击，提高了行走的稳定性，降低了摆动阶段的峰值驱动力矩。
2、本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
3、一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，结合人类膝关节的研究设计了仿人机器人的膝关节。包括如下步骤：步骤1，节能型减振膝关节的机械设计；步骤2，关键参数计算；步骤3，膝关节的减振分析。所述步骤1通过分析人类膝关节的主要组成结构设计一种仿人机器人膝关节的节能减振结构；所述步骤2分析仿人机器人行走时摆动腿摆动阶段的动力学模型；所述步骤3对仿人机器人行走时来自地面的冲击力进行膝关节的减振分析。
4、进一步地，所述步骤1包括如下：
5、ss00人类膝关节的主要组成结构，人类的膝关节主要由股骨内侧髁、股骨外侧髁、胫骨内侧髁、胫骨外侧髁和髌骨组成。它是人体最大、最复杂的关节。由于前后交叉韧带、内侧韧带、外侧韧带、关节囊和肌腱提供了关节的稳定性，膝关节可以自由活动，不易脱位。此外，内侧和外侧关节均有半月板。半月板可增加关节软骨的接触面积。因此，它减少压力，吸收来自脚部的部分冲击，增加关节的稳定性。
6、ss01设计仿人机器人膝关节的节能减振结构，模仿人类膝关节前交叉韧带、后交叉韧带、内侧韧带、外侧韧带、关节囊和肌腱的结构，设计了一种仿人机器人膝关节的节能结构。以同样的方法，模仿半月板的结构，设计了仿人机器人膝关节的减振结构，由有刷直流伺服电机通过谐波减速器和带轮机构驱动。
7、ss02节能减振结构运动机理，节能结构主要由三个弹簧和钢丝绳组成。弹簧一端固定在机器人大腿上，另一端通过钢丝绳固定在膝关节套筒上。机器人行走时，弹簧始终处于伸长状态。当脚刚抬离地面时，它的伸展长度最大；当小腿弯曲到最大角度时，它的伸展长度最小。该节能结构降低了电机在膝关节摆动阶段的峰值驱动力矩，增加了膝关节的刚度，提高了行走的稳定性。减振结构主要由四个橡胶减振器组成。橡胶阻尼器一端固定在上腿上，另一端处于自由状态。当机器人处于初始状态时，处于自由状态的橡胶阻尼器末端与挡板(固定在小腿上)接触，但挡板内没有受力。当机器人抬起它的脚，橡胶减震器从挡板上分离。由于地面的冲击和机器人在足底接触阶段的惯性，橡胶阻尼器会被压缩并产生阻力。因此，减振结构降低了膝关节在足底接触阶段的冲击，提高了行走的稳定性。
8、进一步地，所述步骤2包括如下：
9、人类行走的步态周期由站立阶段和摆动阶段组成。仿人机器人在行走时，膝关节需要最大的驱动力矩，很容易损坏。节能结构的设计目标是降低摆动阶段电机在膝关节处的峰值驱动力矩。具体步骤包括如下：
10、ss00仿人机器人摆动腿的动力学模型，仿人机器人摆动阶段摆动腿杆模型包括3个连杆，假设杆的质量是均匀分布的：
11、连杆i的质量、长度惯性张量分别是mi li,ii，连杆i相对世界坐标系统的绝对角是θ,连杆i与下一个运动副质心之间的距离是ai,连杆i的质心到上运动副的距离为bi，连杆i的驱动力矩为mi。
12、1)仿人机器人膝关节的动能为：
13、
14、x2＝l1sinθ1+a2sinθ2
15、z2＝l1cosθ1+a2cosθ2
16、2)仿人机器人膝关节的势能为：
17、p2＝m2g(l1cosθ1+a2cosθ2)
18、3)仿人机器人膝关节系统的总动能为：
19、
20、4)仿人机器人膝关节系统的总势能为：
21、ep＝m1ga1cosθ1+m2g(l1cosθ1+a2cosθ2)
22、5)得到拉格朗日方程：
23、
24、
25、
26、6)对θ2拉格朗日算子推导:
27、
28、
29、
30、7)根据拉格朗日方程，得到了膝关节的驱动力矩:
31、
32、ss01仿人机器人摆动腿膝关节受到弹簧张力的分析，仿人机器人摆动腿膝关节始终受到弹簧张力的影响。
33、1)当仿人机器人腿处于弯曲阶段时，膝关节的驱动力矩为
34、tq＝mk(θ)-3k1·l(θ)·r
35、2)当仿人机器人腿处于伸展阶段时，膝关节的驱动力矩为：
36、ts＝mk(θ)+3k1·l(θ)·r
37、式中k1为弹簧刚度系数，l(θ)为弹簧伸长量，是膝关节运动角度的函数，r为膝关节套筒的半径。
38、当仿人机器人腿处于弯曲阶段时，膝关节电机力臂的长度将逐渐增加。因此，膝关节的驱动扭矩将逐渐增加。当弯曲角度达到最大值时，所需的驱动扭矩将达到最大值。当仿人机器人腿处于伸展阶段时，膝关节的驱动力矩将逐渐减小。由于仿人机器人腿的自重，膝关节在弯曲状态下所需的最大驱动力矩高于伸展阶段所需的最大驱动力矩。因此，得到：
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【技术保护点】
1.一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，其特征在于：结合人类膝关节的研究设计了仿人机器人的膝关节；包括如下步骤：步骤1，节能型减振膝关节的机械设计；步骤2，关键参数计算；步骤3，膝关节的减振分析；
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，其特征在于，所述步骤1包括如下：设计仿人机器人膝关节的节能减振结构，模仿人类膝关节前交叉韧带、后交叉韧带、内侧韧带、外侧韧带、关节囊和肌腱的结构，设计了一种仿人机器人膝关节的节能结构；以同样的方法，模仿半月板的结构，设计了仿人机器人膝关节的减振结构，由有刷直流伺服电机通过谐波减速器和带轮机构驱动。
3.根据权利要求1所述的一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，其特征在于，所述步骤2包括如下：
4.根据权利要求1所述的一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，其特征在于，所述步骤3包括如下：
【技术特征摘要】
1.一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，其特征在于：结合人类膝关节的研究设计了仿人机器人的膝关节；包括如下步骤：步骤1，节能型减振膝关节的机械设计；步骤2，关键参数计算；步骤3，膝关节的减振分析；
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人节能减振的膝关节设计方法，其特征在于，所述步骤1包括如下：设计仿人机器人膝关节的节能减振结构，模仿人类膝关节前交叉韧带、后交叉韧带、内侧韧带、外侧...
【专利技术属性】
技术研发人员：周皞，李玮，郭发勇，沈彬，
申请(专利权)人：常州工程职业技术学院，
类型：发明
国别省市：
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