自機器人誕生以來，它們已在人們生活的方方面面留下了深刻的印記，深化到醫(yī)療服務、軍事國防等各行各業(yè)，機器人憑借強大的信息處理能力，能夠勝任復雜的任構型和驅動形式?jīng)]有達到人類骨骼肌肉的運動和感知能力，還沒有一款雙足機器人真正走入人類生活。大多數(shù)的雙足機器人在運動過程中受限主要來自于關節(jié)結構復雜、本文將結合現(xiàn)有的雙足機器人的結構設計以及運動方式，以雙足步行機器人為研究對象從人體踝關節(jié)的結構和運動特性出發(fā)，受人體非條件反射機制的啟發(fā)，將仿生抗干擾能力；引入具身智能的形態(tài)計算性，基于人體非體化單元，在運動過程中利用自身形態(tài)與環(huán)境自主交互維持運動穩(wěn)定性，自主實現(xiàn)踝周期性平臺擺動實現(xiàn)雙足機器人的行走，實現(xiàn)雙足機器人在不過度依賴中央控制器的DesignandPerformanceAnalysisofAnkleJointofBipedRobotlife,penetratingvarioussectorssuchasmedicalservicesanendowedwithpowerfulinformationprocessingcapabilities,arecapableofperformingcomplextasks.Humanoidrobotshavedemonstratedexcellentpotentialinmimickinghumanmovement.However,duetotecfmotionandsensorycapabilitierobot'sfaceconstraintsduringmovement,primarilystemmingfromcomplexjointstructures,over-relianceonsensors,centralcontrollers,Thispaperwillintegratetheexistingstructuraldesignandmovementpatternrobots,takingthebipedalwalkingrobotastheresearchsubject.Drstructureandkinematiccharacteristicsofthehumananklejoint,andinspiredbythunconditionalreflexmechanism,theconceptofbiomimeticactuationwillbeintroducedintothedesignofbipedalrobots.Thedesignwillinvolvecreatingaperception-drivenhumanoidbipedalrobot.Theanklejointwillbeanalyzedanddesignedtomimicthehumanthejoint'simpactresistanceandanti-interferencecapabilities.Theintegrationofintelligenceandmorphologicalcomputationwillbebasedonthehumanunconditionalreflexmechanism,designingaperception-drivenintegratedunit.ThiswillallowtherobottoautonomouslyinteractwiththeenvironmentstabilityandindependentlyachieveanklejoipaperwillexploretheimplementationofaperiodicplatformswingbasedontheconceptofCentralPatternGenerenhancethemotionandsensoryperformanceofbicentralcontroller. 1 1 1 2 2 3 3 5 7 9 2.3.2剛-柔耦合仿生肌肉骨骼 2.3.4基于局部反饋的感知-驅動 2.4.2剛-柔耦合仿生肌肉骨骼 2.4.4基于局部反饋的感知-驅動 4.2.2仿肌肉骨骼剛-柔耦合 4.3.2仿肌肉骨骼剛-柔耦合踝關節(jié)旋轉性 4.3.3氣動肌肉以及踝關節(jié)轉動性 1—四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[1]中提出，要拓展在航空、航天、核工業(yè)、公共安全、應自機器人誕生以來，它們已在人們生活的方方面面留下了深刻的印記，隨著技術息處理能力，能夠勝任更為復雜的任務，機器人技術的深度應用也極大地提升了這些在眾多智能機器人領域中，仿人行走機器人的研究已成為全球科技界的焦點。這是因為仿人行走機器人在模擬人類運動能力方面所展現(xiàn)的潛力，將對社會和工業(yè)領域仿人行走機器人的最終目標在于替代人類執(zhí)行危險且單調的任務，并在此過程中實現(xiàn)技術突破和實際應用價值的提升。雙足機器人在復雜環(huán)境適應性方面具有顯著優(yōu)勢，雙足機器人無需大規(guī)模改造即可融入人類生活和工作環(huán)境中，為人類提供協(xié)作工作和學和人工智能等相關學科的進步，具有重要的研究意義和價值。仿人機器人不同于其它類型的機器人，有其基本的特征1）適應并能夠在人接使用人類的生產(chǎn)和生活工具3）具有人類的外形體貌。這些特征使得仿人行走機2—器人在科技研究和實際應用中具有獨特的價值和地位。因此，開發(fā)仿人行走機器人不然而，由于技術上的限制，目前雙足機器人沒有全面達到人類的運動和感知能力人類的運動能力，是因為機器人的腿部構型和驅動形式?jīng)]有達到人類骨骼肌肉的運動受人體非條件反射機制的啟發(fā)，將仿生驅動的思想引入到雙足機器人的設計中，進行具有感知-驅動[6]一體化功能的仿人雙足步行機器人的設計，提高雙足機器人的穩(wěn)定性仿生學角度出發(fā)，受人體非條件反射機制的啟發(fā)，針對機器人剛性關節(jié)結構復雜且抗沖擊能力差的問題，設計仿人體肌肉骨骼系統(tǒng)的踝關節(jié)機構；針對現(xiàn)存機器人過度依賴復雜傳感系統(tǒng)和中央控制器的問題，設計基于人體非條件反射機制的感知-驅化單元，在不依賴制器的前提下使機器人通過身體、地面和感知-驅動一體化系雙足機器人在非結構環(huán)境下的運動穩(wěn)定性、減輕雙足機器人的中央控制器負擔、提高目前國內(nèi)外在雙足步行機器人的研究中，對于在雙足機器人利用剛柔耦合關節(jié)同時加以仿生柔性的研究尚少，本文的研究能夠豐富對在雙雙足機器人的踝關節(jié)設計及分析對我國在雙足機器人行業(yè)的控制以及機器人系統(tǒng)簡化方面有積極作用。本文針對現(xiàn)有各類雙足機器人存在的問題，結合當下雙足機器3—通過利用身體的形狀以及動態(tài)特性等改進計算效率,并進一步實現(xiàn)對身體行為控制的機史。雙足機器人的穩(wěn)定行走一直以來都是機器人領域的研究難點，國內(nèi)外諸多科研機雙足步行機器人對非結構化環(huán)境具有較好的適應性，避障能力強，更加適應于復類相比，機器人足部與人類足部的結構特征和運動功能存在很大差異，這使仿人機器可以將其按照驅動方式以及步態(tài)形成原理的不同進行分類為傳統(tǒng)的雙足機器人、肌肉1966年日本早稻田大學的生物工程小組開始研究建立了雙足運動下肢模型WL-觸覺傳感器集成手部達到運輸物體目的。隨后又開發(fā)了WL和WABIAN系列模型。4—bcadbcad圖1.1(a)WABOT-1[8];(b)WL-10RD[9];(c)WABIAN-2LL[10];(d)WABIAN-2[11];E6型機器人，本田逐漸完善了雙腿行走的基本功能，并建立了穩(wěn)定的行走技術基礎。時，ASIMO在人機交互方面也取得了顯著進步。經(jīng)過四年的研發(fā)，第二aabb–5–ababcc圖1.3國內(nèi)仿人行走機器人(a)BHR-1[16];(b)BHR-5[17];(c)Blackman[18][19];(d)Kong[20][21];上述傳統(tǒng)的雙足機器人研究更多是面向對人運動學的仿生，通過電機減速器驅動或者氣壓液壓驅動剛性關節(jié)模擬人體行走時的姿態(tài)，從而達到穩(wěn)定行走的狀態(tài)，但其復雜的算法和電機的控制程度非常高，以及電機等元器件發(fā)展限制，使得在實際運動近年來仿生學及材料學的發(fā)展為雙足機器人設計提供了新的思路——肌肉骨骼機6—用到足式機器人關節(jié)，并開發(fā)了SpringTur型機器人，通過SEA驅動旋轉關節(jié)實現(xiàn)穩(wěn)定行走。如圖1.4(a)，雙足機器人SpringFlamingo[25]將驅動器放置軀干減輕b ab 東京大學的RyumaNiiyama等人于2015年研制了一款具有人工肌肉骨骼ddccaa7—則是模仿人類的骨骼形狀。有了這些特殊的結構，Kenshiro可以做一些類似人類地動這一系列的肌肉骨骼機器人都配備了傳統(tǒng)的直流電機和傳感器，但它們無法實現(xiàn)任何bqbq近年來，國內(nèi)一些機構也開始了對肌肉骨骼系統(tǒng)機器人的研究。鄭州輕工業(yè)大學的陳鹿民等人于2014年設計了一種繩驅動仿人踝關節(jié)機器人，該踝關節(jié)通過使用肌肉骨骼機器人的引入在傳統(tǒng)剛性機器人中引入彈性元件提高了它們對沖擊載荷的耐受性，降低了機械輸出阻抗并提高了它們執(zhí)行循環(huán)任務的效率，但在某些機器人中大量的使用軟體或一些高自由度的關節(jié)和大冗余度的驅動會使得機器人的不用對身體每個關節(jié)都進行精確控制，它沒有腳掌，不存在支爾濱工業(yè)大學致力于雙足機器人的穩(wěn)定性控制，倪修華和吳曉光分別研制了圓弧足和8—算法實現(xiàn)了機器人在一定行走環(huán)境中的穩(wěn)定步行，并得到更加高效合理的參數(shù)值。在沒有任何主動驅動力作用時，充分利用其自身的內(nèi)在動力學特性，通過足底以點或線的形式與地面接觸[35]，僅依靠重力的作用就能夠平穩(wěn)走下微小坡度的傾斜路面，實現(xiàn)cad式賦予了機器人更高的穩(wěn)定性和協(xié)調性，這一系列設計創(chuàng)新使得該機器人在被動行走cadb圖1.7欠驅動型仿人行走機器人(a)Toddler[36];(b)Mike[37];(c)Max[38];(d)Deni[39];9—機器人步態(tài)是判斷能否穩(wěn)定平穩(wěn)行走的主要參考點，主動式機器人采用全驅動的大。同時這類雙足仿人機器人由于添加的關節(jié)驅動力太多，從而出現(xiàn)關節(jié)軌跡規(guī)劃生關節(jié)設計的創(chuàng)新點不斷涌現(xiàn)，以提高機器人的運動性能和穩(wěn)定性。設計出一種具有柔走穩(wěn)定性、增強其環(huán)境適應能力的突破點之一，同時也是促進其走向應用領域的重要從仿人機器人運動研究來看，踝足整體式的設計在運動過程中導致了整個足部同板足來說，采用了彈性的緩沖吸振裝置，雖然在一定程度上減少了地面對足部的沖擊力，但機器人足部與人體足部相比，其足部的緩沖吸振和維持運動穩(wěn)定性的功能差距人足在維持行走穩(wěn)定中的作用機理能夠為仿生踝關節(jié)的設計提供理論指導，是值得研當下對雙足機器人踝關節(jié)的設計主要集中在利用算法的優(yōu)化去彌補傳統(tǒng)剛性踝關節(jié)的不穩(wěn)定性與抗沖擊性，但也帶來了關節(jié)結構復雜以及過分的依賴中央控制器。改進踝關節(jié)結構、采用新型材料等手段來提高機器人的運動性能表現(xiàn)是有價值的研究內(nèi)10—a節(jié)設計成被動的彈簧式趾關節(jié)，使得足部能夠在行走運動中積累和釋放能量，具有更ab適應接觸模型的直接力控制以及基于接觸力數(shù)據(jù)調整質心高度的策略組成。最終使得通過對以上國內(nèi)外相關雙足機器人的研究發(fā)現(xiàn)，當下對于機器人方面的研究更多集中在采用剛性結構通過改善控制算法來是機器人運動連貫或者單一使用電子元器件進行機器人的驅動，相比之下，對于在機器人運動中機器人本身自適應性與結構穩(wěn)定性踝關節(jié)等主要運動關節(jié)的結構設計與分析研究較少，無法有效從根本解決雙足機器11—本文對踝關節(jié)的分析得出簡單的結構，能夠自主與環(huán)境交互，具有具身智能的形態(tài)計算性，在運動過程中利用自身形態(tài)與環(huán)境交互維持運動穩(wěn)定性，增加關節(jié)的抗沖有感知-驅動一體化踝關節(jié)的雙足步行機器人，對其根據(jù)目前雙足機器人踝關節(jié)主要使用的技術以及驅動方式，明確踝關節(jié)在雙足機針對步態(tài)周期中踝關節(jié)的剛度變化設計仿肌肉骨骼踝關節(jié)機械結構。根據(jù)所提出的設計概念和需要解決的關鍵問題，歸納雙足機器人踝關節(jié)驅動中面設計能夠提供預緊力并保證剛-柔耦合關節(jié)穩(wěn)定性的氣動肌肉。圍繞生物在運動過程中具有局部反饋的模式（通過外界刺激及自身狀態(tài)迅速調節(jié)12—基于提出的踝關節(jié)驅動方案氣動柔性驅動技術。完成感知-驅動一體化對機器人的感知-驅動一體化踝關節(jié)性能及雙足機器人的13—現(xiàn)存雙足機器人運動問題，影響運動表現(xiàn)主要原因控制簡單關節(jié)耐受性控制簡單關節(jié)耐受性被動行走機不穩(wěn)定驅動難控制特定場景不穩(wěn)定驅動難控制特定場景姿勢僵硬設計感知-驅動一體化踝關節(jié)的雙足步行機器人形式探究形式探究設計與制作腿部擺動周期構建機器人周體化的踝關節(jié)控制設計理論支撐機器人力學建模與分析各規(guī)定功能參數(shù)設計研究對象參數(shù)理論分析機器人力學建模與分析各規(guī)定功能參數(shù)設計驅動肌肉驅動肌肉理論設計性能提升踝關節(jié)結構氣動人工肌肉踝關節(jié)結構氣動人工肌肉驅動實驗14—第1章緒論：本章主要總結現(xiàn)有不同雙足機器人在行走過程中踝第2章雙足步行機器人設計：本章首先探究人體的步態(tài)周期中以及在運動過程中的踝關節(jié)運動變化情況；針對步態(tài)周期中存在的運動規(guī)律完成承載平臺方案設計；針對仿人步態(tài)周期中踝關節(jié)的剛度變化完成合踝關節(jié)機械結構方案設計；踝關節(jié)驅動問題提出采用氣動人工肌肉的方案；基于人第3章雙足機器人系統(tǒng)建模與力學分析：本章圍繞踝關節(jié)，對機器節(jié)進行獨立運動學分析，計算跖屈與背屈關鍵角度變化，確保設計的踝關節(jié)能夠適應行走過程中的動態(tài)需求；運用拉格朗日方程建立雙足機器人的動力學方程，從而評估關節(jié)所需的關節(jié)支撐力矩和分布式感知器的最小觸發(fā)力；為機器人結構的優(yōu)化設計，第4章雙足機器人實物制作與實驗性能提升：本章首先基于前述文與理論分析計算，進行雙足機器人的實物制作；周期性承載平臺實物柔耦合踝關節(jié)的實物制作；驅動單元氣動人工肌肉制作；感知模塊制作；進行實驗評第5章總結與展望：作為整篇論文的總結，闡述了創(chuàng)新，并對論文中存在的不足和需要進一步深入研究15—在第一章節(jié)的分析討論中得到機器人的踝關節(jié)設計是雙足機器人研究的重要組成究表明，雙足機器人沒有全面達到人類的運動能力，在運動過程中都存在關節(jié)結構復雜、過分依賴傳感器、中央控制器和算法等問題。為了有效的針對踝關節(jié)優(yōu)化設計方以在不過度依賴于傳統(tǒng)剛性關節(jié)以及復雜算法的前提下自主完成與環(huán)境交互，達到部分取代中央控制器進行“計算”的目的，實本章圍繞雙足步行機器人設計，通過分析人體在步行過程中具有的生物力學，得到人體在面對不同環(huán)境下穩(wěn)態(tài)行走的原理，構建在人體步態(tài)周期中不同位置的踝關節(jié)行走是人在出生之后，伴隨著發(fā)育過程不斷實踐而習得的一種能力，是人類生存的基礎，與其它動物區(qū)別的關鍵特征之一。行走及其步態(tài)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)在生物力學水平上體現(xiàn)的終極目標。步態(tài)有賴于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)以及肌肉骨骼系統(tǒng)根據(jù)腿部動作的特征，可以分為支撐階段和擺動階段。步行周期是指行走過程中一側16—足跟著地至該側足跟再次著地所經(jīng)過的時間。每一側下肢有各自的步行周期。每一個步行周期分為站立相和邁步相兩個階段。站立相又稱作支撐相，為足底和地面接觸的其中一側足跟著地至對側足趾離地前有一段雙腿與地面同時接觸的時期，稱為雙支撐期（DoubleSupport）。每一個步行周期于足跟著地后至足底與地面完全接觸的一段時間，身體重量開始轉移到支撐腳上；支離地，約有15%的時間兩足都處于雙側支撐期。雙側支撐17—機器人重心變化(cm機器人重心變化(cm)步態(tài)周期階段(%)心運動學特征變化遵循下圖變化：0%時，一只腳的腳跟著地步態(tài)完全接觸地面，身體的重心繼續(xù)向前移動，并達到最低點，重心位于兩腳之間；40%-由上可知人體腿部的主要運動就是在矢狀面進行彎曲以及伸展，本文設計的仿人18—踝關節(jié)在人體行走過程中扮演著至關重要的角色，它不僅參與支撐身體重量、維主要由小腿骨中最內(nèi)側的末端脛骨、小腿骨中最外側的末端腓骨和位于踝關節(jié)頂部并與脛骨和腓骨的下端形成關節(jié)面距骨的相互關節(jié)面構成，被覆蓋于關節(jié)表面的關節(jié)軟關節(jié)的完整性和穩(wěn)定性；肌肉組織如腓腸肌群和脛前肌群通過其肌腱附著點對踝關節(jié)踝關節(jié)作為滑膜關節(jié)，內(nèi)有關節(jié)滑囊和脂肪墊等近的關節(jié)面上將踝關節(jié)封閉，內(nèi)有關節(jié)液為關節(jié)活動提供潤滑作用在人體完成行走運動整個步態(tài)周期中是通過踝關節(jié)與地面的銜接，踝關節(jié)最重要19—acacb通過對人類步行時生物力學原理的深入剖析，以及運動狀態(tài)下踝關節(jié)結構變化的仔細觀察，我們發(fā)現(xiàn)人體步行的過程依賴于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉骨骼計可以設計具有規(guī)律性與周期性的擺動平臺。針對步態(tài)周期中踝關節(jié)的剛度變化進行20—結構設計，使機器人的踝關節(jié)能夠模擬人體步行時的結構變化，既保證行走的穩(wěn)定性與自然性，又減輕中央控制器的負擔?？梢噪p足步行機器人在行走過程中具有適應性在上述對人體步行運動生物力學原理和踝關節(jié)變化分析，本節(jié)將所設計的雙足機器人結構設計分為承載周期性擺動平臺設計、踝關節(jié)機械結構設計、以及關節(jié)驅動選擇設計，分別在整個運動過程中完成類人的步態(tài)周期行走與踝關節(jié)驅動功能。為了模擬人體行走時的髖關節(jié)與膝關節(jié)運動，將舵機用于兩腿的髖關節(jié)與膝關節(jié)擺動的周期感知-驅動一體化單元以驅動踝關節(jié)；在保持整體結的感知-驅動一體化目標，最終盡可能達到提升雙足機器內(nèi)在的神經(jīng)機制，基于神經(jīng)系統(tǒng)的某些部分能夠產(chǎn)生和維持規(guī)律的、重復性不需要持的節(jié)奏和模式，同時能夠根據(jù)來自肌肉、關節(jié)和皮膚的感覺反饋調整左右腿的對稱性基于此模式，雙足機器人的承載平臺采用舵機作為下半身髖關節(jié)與膝關節(jié)的驅動源，舵機滿足精確控制、穩(wěn)定性和節(jié)能等優(yōu)勢，有助于模擬高效且適應性強的行走動能都滿足機器人在矢狀面以及冠狀面的變化移動，利用該擺動平臺可以較好的具有類人性，同時結構應易于維護，支持便捷的編程和模塊化，以便21—前文中討論踝關節(jié)在人體行走過程中扮演著至關重要的角色，它不僅參與支撐身整體式的設計在運動過程中導致了整個足部同時接觸地面，沖擊比較大，行走穩(wěn)定性差。具有肌肉骨骼的仿生機器人設計對于單一平板足來說，采用了彈性的緩沖吸振裝吸振和維持運動穩(wěn)定性的功能差距依然很大。從仿生學角度來說，作為仿人機器人的原型，人體踝關節(jié)的緩沖吸振結構和人足在維持行走穩(wěn)定中的作用機理能夠為仿生踝關節(jié)的設計提供理論指導。當下對雙足機器人踝關節(jié)的設計主要集中在利用算法的優(yōu)化去彌補傳統(tǒng)剛性踝關節(jié)的不穩(wěn)定性與抗沖擊性，但也帶來了關節(jié)結構復雜以及過分由上述可得剛性關節(jié)在結構剛度上能夠很好的滿足機器人的運動過程，但常見的剛性關節(jié)由于長時間的使用會造成不可逆的磨損與變形，傳統(tǒng)的仿人性的踝關節(jié)具有較好的柔順性以及抗沖擊不變形能力，但軟體踝關節(jié)在控制上面需要用到較多的控制技術，涉及到非線性動力學導致最終實際控制較難關節(jié)結構復雜以及過分的依賴中央控制器。近年來的發(fā)展中出現(xiàn)了一種柔性關節(jié)具有很好的抗沖擊能力，在沖擊力的作用下允許小范圍的錯位并能在沖擊力結束后恢復原本的狀態(tài)，大大提高了關節(jié)在受到為仿人踝關節(jié)設計提供了新的思路。其中硅膠材料由于其良好的延展性和易定制成型人體踝關節(jié)的韌帶、關節(jié)囊和關節(jié)軟骨是關節(jié)對沖擊高魯棒性的關鍵，關節(jié)囊是關節(jié)可以低摩擦的靈活轉動；關節(jié)軟骨起著類似于彈性墊的效果，起著緩解壓力的作22—因此合理的在仿人機器人中，本論文從仿生的角度出發(fā)，分析人體踝關節(jié)的結構機器人在關節(jié)驅動方式上以往通常采用傳統(tǒng)的電機驅動連桿，或者通過減速機驅但在踝關節(jié)之類的小型關節(jié)進行驅動的時候就顯得更加的臃腫，大型的驅動電機積聚在踝關節(jié)位置不僅導致驅動器的結構復雜，同時由于該關節(jié)的負責程度增大了雙足機器人在行走過程中的穩(wěn)定性控制，以及抗沖擊能力，最終在雙足機器人的行走過程中比較小的關節(jié)處通過采用一些柔性驅動就顯的更加具有優(yōu)勢，比如生物肌肉驅動器、線纜驅動、形狀記憶驅動等等，其不同的驅動方式最終帶來常見的線纜驅動其本質是將線纜穿過機械所在本體上的固定點，進而通過尾部施加力的作用在這一系列的固定點位置產(chǎn)生彎矩作用完成對線纜的拉伸，固定點位置的常見的形狀記憶驅動主要工作為在一定條件下，該形狀記憶材料能從一種形狀改因素完成對踝關節(jié)的驅動，實物制作比較困難，同時加入此類外界刺激的裝置增加了），驅動器，是一種由相互交織的螺旋編織網(wǎng)包裹柱狀橡膠管構成的線性軟體驅動器。如-23-在本章設計的雙足機器人中，為了能夠使得機器人在行走過程中具有更好的柔順性以及生物仿生性，我們將踝關節(jié)周圍的肌肉和組織模擬呈以下形狀，肌肉沿著骨骼和關節(jié)走向分布，以便在收縮時拉動骨骼產(chǎn)生運動為長條形狀。肌腱連接肌肉和骨骼遞肌肉的拉力是扁平或稍微圓形的索狀結構。韌帶連接骨與骨之間提供關節(jié)的穩(wěn)定性在人體運動過程中同時存在著局部反饋模式幫助穩(wěn)定人進行正常的生活，其稱之為局部反饋模式，這種模式能夠使得生物能夠通過外界刺激和自身狀態(tài)的變化來迅速調節(jié)自身的運動狀態(tài)。其基本的反饋模式主要涵蓋了本體感覺反饋、觸覺以及壓力反膚的觸覺受器、眼睛的視覺受器、足底的觸覺感受器等。這些感覺受器將關于身體位-24-通過身體各個部位的傳感器完成對信息的傳遞，從而促使本體產(chǎn)生對應的運動，在本設計中可以較好的進行利用，因此對本設計的剛-柔耦人類的此類局部反饋模式完成運動控制，通過采用自主分散控制方法，在設計的承載平臺中不同位置安裝不同的感受器，代替人體不同的感受器功能，最終通過感受到例因此設計能夠具有反饋的分布式感受器在機器人的下半身能夠實以上功能，傳統(tǒng)的具有氣動通路的感受器是利用電磁閥來改變氣流方向，實現(xiàn)肌肉的充放氣以及替代感受器的作用，增加了感受器的結構復雜程度。使用上述的電子傳感器具有較高的技術復雜性，近年來一些非電子控制器的發(fā)展填補了這一些缺陷，為軟體設備的控制提種完全由機械裝置實現(xiàn)分布式控制的無腦機器人，通過利用機械人工感受器完成機器圖2.7類神經(jīng)元感受器(a)動物體內(nèi)脊aa該裝置通過人工機械感受器的參與實現(xiàn)人工肌肉的伸縮動作，但是該結構主要是-25-用于人工肌肉的通斷相互反饋設計，將其利用在足部或者踝關節(jié)區(qū)域進行人工肌肉的反饋實現(xiàn)較為困難。與此同時2022年美國西北大學的ColterJ.Decker[44]等人設計了另外一種新型的軟體閥門，該閥門具有數(shù)字和模擬控制功能，可以用于構建數(shù)字邏輯和如上圖所示，其機械閥門的控制原理主要是通過設計軟管的活塞移動，使得機械被折疊從而鎖緊，氣道通路改變；而當活塞不受外力時橡皮筋具有的彈性使其恢復原節(jié)運動的肌肉主要為跖屈肌與背屈肌的拉伸與收縮，當進行跖屈運動時得到信號背屈閥門的通斷在接受壓力或外部刺激的情況下完成閥門開斷從而實現(xiàn)通路、斷路，完成本論文的整體設計內(nèi)容包括雙足機器人下半身承重擺動平臺設計方案，通過利用舵機作為下半身髖關節(jié)與膝關節(jié)的驅動源，滿足機器人在矢狀面以及冠狀面的變化移動；剛-柔耦合機械踝關節(jié)設計（基體、關節(jié)頭、類滑膜設計感知-驅動一體化踝關節(jié)方案設計（踝關節(jié)根據(jù)足底感受器觸底反饋進行調整基于生物體的局部反饋模式，能夠在面對不同環(huán)境時的自適應調整狀態(tài)，利用自身動驅動方式采用氣動驅動與限制彈性模塊相互配合，滿足基本的氣動彈性同時具有限制性長度，最終使得踝關節(jié)在轉動的同時也具有最大限制性，充分保證下半身的結-26- a acb為能夠滿足本論文的踝關節(jié)設計所具有的基本剛性以及cb a a上圖中主要采用基座+襯套+回轉體結構進行工作，其中剛性關節(jié)頭下半部分采用插銷方式與足部連接，上半部分采用軟硅膠模擬人體軟骨保證沖擊能力，踝關節(jié)基座與小腿插銷連接保證基本的結構剛度，關節(jié)囊是一個包圍關節(jié)的膜性結構，內(nèi)部含有-27-液起潤滑作用；踝關節(jié)周圍組織在許多生物力學或機器人學模型中被簡化為長條狀以及線性的幾何形狀，以便于分析和計算，肌肉的預緊力也保持踝關節(jié)不會因為受到過度的拉伸力而失效。本設計中采用踝關節(jié)周圍的肌腱組織簡化為帶狀，圍繞關節(jié)提供穩(wěn)定性；踝關節(jié)在周圍肌腱組織以及內(nèi)部硅膠關節(jié)頭的彈性作用下能夠在沖擊力消除結構能夠滿足行走過程中支撐機器人體重的需求；類滑膜中間的潤滑液減少摩擦力；剛性骨架上附著的硅膠彈性體可以在行走過程中起到緩沖減震的作用，并能在外力撤根據(jù)所設計的雙足機器人踝關節(jié)結構與活動要求以及上述章節(jié)中踝關節(jié)在承受壓節(jié)的過程中，我們知道主要是由肌肉進行不同程度的拉伸與收縮而完成的跖屈與背屈運動，內(nèi)翻與外翻運動。而采用的此類生物驅動器恰好可以通過對自身進行不同位置膨脹收縮完成適度的拉伸動作，該流體驅動器同時可以提供足夠的拉力保證踝關節(jié)在旋轉過程中的穩(wěn)定性，以及提供足夠的扭矩完成機器人在行走過程中踝關節(jié)的角度變彈性體通過充氣膨脹，體積增大發(fā)生收縮最終完成長度的變化，其外的限制層限制彈性體不會無限增大，最終的作用效果為氣動肌肉在充氣后發(fā)生軸向變粗同時縮短的運與此同時氣動人工肌肉在收縮過程中的速度與進氣量有關，踝關節(jié)在行走過程中需要實時根據(jù)地面條件反饋從而改變踝關節(jié)姿態(tài)，利用氣動人工肌肉進行驅動時需要保證基本速度，使其機器人在運動過程中能夠保證行走的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性。氣動人工肌肉內(nèi)部的充氣彈性軟管在充氣時快速收縮幫組踝關節(jié)改變方向，泄氣時能夠快速恢28—復原始狀態(tài)。氣動肌肉安裝方式與實際踝關節(jié)周圍的肌肉沿著骨骼和關節(jié)走向分布，以便在收縮時拉動骨骼產(chǎn)生運動。最終在運動時候更加具有柔順性，幫助機器人的踝aabb綜上所述，所設計的踝關節(jié)柔性氣動人工肌肉方案能夠提供行走過程中踝關節(jié)所需要的轉矩，與踝關節(jié)處的肌腱組織相互作用提供類自然關節(jié)的柔順運動，減輕了整體裝置的重量，并通過精確控制氣壓實現(xiàn)關節(jié)運動的精細調節(jié)，同時增強踝關節(jié)運動過活動桿件與固定桿件之間通過彈簧相互作用，最終形成在外力作用下能夠實現(xiàn)硅膠–29–b ab基于此，可以設計仿生感知器，如圖2.13進而提供氣壓使氣動肌肉收縮，此時的傳感器能夠作為興奮突觸激活氣動肌肉；改變相比與電子傳感器的復雜度，本論文利用局部反饋機制驅動一體化模塊，具有簡單的結構利用本身特性與環(huán)境交互，根據(jù)足底與地面的接觸狀態(tài)以及腿的擺動情況的感知產(chǎn)生壓力的不同從而控制氣閥，最終控制步態(tài)周期中氣30—本章深入分析了在人體步態(tài)周期中存在的生物力學原理以及踝關節(jié)的組成形式與空間活動結構，構想了一種由仿生學啟發(fā)的雙足步行機器人設計方案。該方案針對現(xiàn)有剛性機器人在穩(wěn)定性方面的不足，引入具身智能理的感受器結構反饋信號最終完成自主調整運動狀態(tài)，減少對中央控制器的依賴，實現(xiàn)剛-柔耦合踝關節(jié)能夠通過身體、地面和感知系統(tǒng)的用足部的分布式感受器連接氣動人工肌肉，自發(fā)調節(jié)肌肉驅動狀態(tài)。局部反饋調節(jié)機走；針對機器人剛性關節(jié)較為復雜且抗沖擊能力差的問題，設計自適應性仿人體肌肉骨骼系統(tǒng)的剛-柔耦合踝關節(jié)機械結構；針對雙足機器人題，基于人體的非條件反射（局部反饋）創(chuàng)新設計了分布式31—本章圍繞踝關節(jié)的活動范圍以及所需驅動力進行相關的動力學模型建立，預測和評估機器人在不同姿勢和外部擾動下的穩(wěn)定性，判斷該平衡控制策略是否有效。首先對于雙足機器人整體進行建模分析設計的合理性與明確踝關節(jié)在行走中所需的活動范圍；接著對踝關節(jié)的構建運動學模型，計算出在特定參數(shù)條件下踝關節(jié)的理論活動范接下來，利用力平衡關系對機器人在行走狀態(tài)進行靜力學建模，分析踝關節(jié)在行走過程中所需的驅動力和傳感器工作的觸發(fā)力。建立踝關節(jié)力學模型，計算出在給定評估感知-驅動一體化單元的可行性。本研究旨在指在雙足被動步行機器人建模的實際過程中影響力學模型的因素較多，雙足行走的力學模型是包含了連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的混合系統(tǒng)[45]，為了更好的分析機器人的結構了一種類圓弧足直腿模型，該模型更貼近人類行走時的腳步特征，更加方便進行模型建立。因此在不影響主要設計與分析目標的前提下，在本章節(jié)的力學模型設計中可對本文中搭建行走平臺與設計的踝關節(jié)相互配合最終完成機的舵機進行擺動，達到類人行走時候的步態(tài)動作。因此需要對擺動平臺在運動過程處32—在矢狀面上角度范圍，矢狀面的角度范圍決定機器人是否發(fā)生前傾或者或后仰問題，在矢狀簡圖中，大腿與小腿都處于伸直狀態(tài)，此時所得出最大背屈角θ4max與最大得到θ1=θ4≥30°因此此時所得出踝關節(jié)在運動過程中最大背屈角θ4max≥30°與最大跖屈角θ1max≥30°。33—上圖中雙足機器人的冠狀簡圖可知，行走過程中出現(xiàn)長度確定，初始狀態(tài)小腿和足底垂直，下肢整體的重心移動y與外翻角θ(3.3)34—(3.4)(3.5)(3.6)動角θ2=30°,根據(jù)以上參數(shù)計算得到，踝關節(jié)的最大跖屈角應滿足θ1m踝關節(jié)的最大背屈角應滿足θ4max≥30°,外翻角與內(nèi)收角滿足大于8°。本次設計的剛-柔耦合的踝關節(jié)實際活動范圍主要受限來自小腿與足部之間的固有結構受限以及氣動肌肉牽引長度限制，故針對此進行關節(jié)實際活動范圍分析，得出下發(fā)生矢狀面的角度變化，矢狀面的角度直接影響機器人在行走過程中足部與小腿之間的配合是否支持雙足機器人進行正常行走，由此應分析出踝關節(jié)矢狀面的角度極限圖3.3可知，初始小腿與足呈90°,氣動人工肌肉將小腿與足相互連接，驅動肌θ=90α2(3.7)(3.8)35—在該方程中，La代表氣動人工肌肉整體長度；Lag中心長度；L3代表前文中提到的小腿長度，相應的α1、α2、α3代表氣動人工肌肉與小Lag2+L32—La2=2LagL3cosα2La=√Lag2+L32—2LagL3cosα2(3.9)所以得到踝關節(jié)的旋轉角度α2：其中La為氣動人工肌肉長度，踝關節(jié)在矢狀面旋轉角度α2隨著La的變化而發(fā)生變化，在開始位置時候α2=90°所以。La=√Lag2+L32—2LagL3cosα2=√Lag2+L32(3.11)在本論文中采用的McKibben氣動肌肉由外部編織網(wǎng)管和內(nèi)部橡膠管制成，網(wǎng)管的材料具有不易變形的性質，制成編織網(wǎng)管的線不可拉伸，因此在內(nèi)部彈性管充氣膨脹時，由于內(nèi)部體積增大氣動肌肉可以在編織網(wǎng)管的限制下實現(xiàn)徑向膨脹以及軸36—管長度在豎直方向得的投影為編織管直徑：表示La=b×cosθp其中氣動肌肉的長度La；編制網(wǎng)管纖維與氣動肌肉長度方向的角度為θp；所以編√La2+（nDπ)2=b2在在本設計中選用的氣動肌肉編制網(wǎng)管單根線與長度方向的初始角度為θp=15°,最大收縮量時θp1=45°。37—La=√Lag2+L32—2LagL3cosα2=√Lag2+L32θ=90α2=54.08°由上文中理論參數(shù)設計得到雙足著地時前腿向前的擺動角θ3=30°,后腿向后的擺動角θ2=30°,踝關節(jié)的最大跖屈角應滿足θ1max≥30°,踝關節(jié)的最大背屈角應滿足θ4max≥30°,外翻角與內(nèi)收角滿足大于8°,故該設計符合理論設計，實滑與緩沖作用，同時關節(jié)頭的設置為球體，與襯套可接觸范圍的角度為θy，當關節(jié)頭38— abb本設計的關節(jié)頭主要是由Ecoflex00-伸與抗壓效果，同時代入θx，θy角度為180°進行計算可得，θ4max=θ1max=45°。程中冠狀面上主要設計到外翻角與內(nèi)收角，其外翻角與跖屈肌共同產(chǎn)生作用，完成踝39—綜上通過踝關節(jié)關節(jié)運動學分析可得，在單一氣動肌肉的約束下，踝關節(jié)的運動角度范圍在跖屈肌拉伸收縮角度為30°,內(nèi)外翻肌為8°,符合理論設計；在對踝關節(jié)結構設計分析，由于關節(jié)結構限制得出踝關節(jié)的運動范圍在跖屈肌拉伸收縮角度為45°,內(nèi)外翻肌為30°,符合理論設計，故該踝關節(jié)的活動范圍符合任務設計條件，電機的力矩）來實現(xiàn)穩(wěn)定和精確的運動控制。常常使用牛頓-考慮系統(tǒng)的動能和勢能。兩種方法進行機器人系統(tǒng)建模。在本模型中可以使用第二種拉格朗日方式是根據(jù)能量守恒，在廣義坐標系下的牛頓定律的應用，該方法用來描述L=K?P(3.15)在本論文所設計的具有仿生踝關節(jié)的雙足步行機器人中。將機器人系統(tǒng)上每一個EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up0(q),?)M(q)EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up2147483647(q),?)+V(q,EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up2147483647(q),?))+G(q)=Q(3.16)在該方程式中，V(q,EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up2147483647(q),?))表示為n×1階離心力與科氏力矢量，M(q)常表示為n×n的正定性對稱慣性矩陣，Q表示為n×1階廣應力矢量，G(q)為n×1階重力矢量。–40–上圖為動力學分析的基本桿件圖，在運動學分析的基礎上，通過該圖分析出機器運動過程中所需的能量和力，并將結果用于設計控制算法，確保機器人在運動過程中-41-p=migzi(3.18)q1=θ1,q2=θ1—θ2,q3=θ3,q4=θ4,q5=θ6—θ5,q6=θ6–42–M(θ)EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up2(?),θ)+V(θ,EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up2(?),θ))+G(θ)=τ上述式子中，M(θ)表示為6×6階的慣性矩陣；V(θ,EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up2(?),θ))為6×1階離心力和科氏力矢τ=[τ1τ2τ3τ4τ5τ6]。前文討論分別對雙足機器人的整體運動學與踝關節(jié)運動學分析，得出機器人在運動過程中需要滿足的踝關節(jié)活動實際角度范圍。在步態(tài)周期中，各個關節(jié)之間的舵機提供足夠的扭矩變化保證機器人在不同的相位之間切換，保證機器人運動平穩(wěn)。因此根據(jù)機器人行走過程中的擺動情況對機器人力矩變化情況進行分析，判斷在行走過程中是否發(fā)生奔潰，分析踝關節(jié)的受力得到機器人行走過程中對踝關節(jié)提供的轉矩是否根據(jù)機器人靜力學規(guī)律分析，在行走過程中，踝關節(jié)的最大轉矩主要出現(xiàn)在腳掌完全著地后，身體重心前移時，這個階段被稱為“承重反應”（Loadin-43-τ=mgLy(3.20)同理根據(jù)此式可以計算另一階段所需要的關節(jié)力矩的大小。同時代入數(shù)據(jù)本設計的機器人約為1.4Kg，測量得到Ly=6cm，所以得到τ=82.32N.cm=8.232kg.cm。上圖是機器人位于雙足支撐相足底感知模塊在的受mg=F1+F2+F3+F4(3.21)-44-F1≤mg≤5N所以，經(jīng)計算得出機器人支撐腳腳踝的關節(jié)力矩τ≥8.232kg.cm，足底感知器設計目標圍繞著為了滿足機器人能夠行走過程中與環(huán)境交互完成踝關節(jié)的角度變化，同時預測和評估機器人在不同姿勢和外部擾動下的穩(wěn)定性，最總達到部分取代中本章圍繞踝關節(jié)，借鑒人類步行的生物力學特性的基礎上，對下肢結構進行適度簡化，提出了一種類圓弧足直腿模型，首先對機器人整體與踝關節(jié)進行單獨的運動學分析，計算并驗證了設計的踝關節(jié)能夠滿足機器人在行走過程中的角度變化；其次通過拉格朗日方程計算得到了雙足機器人的動力學方程，以此能夠評估機器人的響應穩(wěn)定性；最后通過靜力學分析，得出了能夠滿足機器人正常行走時踝關節(jié)的關節(jié)支撐力矩與最小感知器觸發(fā)力。為機器人結構的優(yōu)化設計，并為后續(xù)雙足步行機器人的性能-45-在前文的的方案設計與理論分析計算中，我們對雙足機器驅動踝關節(jié)進行詳細的分析與計算，最終得到了關于踝體化模塊的工作最小壓力；以及整體的進行了詳細的介紹，本章將通過前述進行雙足機器人的實物制作，最終得到關于在實際制作過程中存在的問題，以及與前文中的理基于前文設計自適應雙足機器人的整體平臺設計中可知，為了滿足機器人在步行面考慮到輕量化結構設計能夠減少機械系統(tǒng)重量，可以提高機器人在行走過程中的穩(wěn)-46-陷導致最終質量效果不明顯；因此機器人整體結構采用采用光固化打印技術設計，能通過以上機械結構設計以及有限元分析，最終設計機器人根據(jù)-剛柔耦合踝關節(jié)的方案設計可知，該踝關節(jié)設用基座+襯套+回轉體相互配合完成，整體制作流程主要包括了關節(jié)頭與基座的硬件結構設計，類滑膜半圓形關節(jié)頭與仿肌腱組織為了具有更好的緩沖性能，采用新型硅膠-47-將需要利用硅膠脫模的模具制作完成，如下圖，其中包括前文提及在實物制作過程中為了更好的模擬肌腱組織將其簡化為長條形狀，在硅膠使用與制作方面可以了解生產(chǎn)的硅膠，它具有良好的柔韌性，適合制造各種軟質的模型和復制品。相比較與由模完成的硅膠半圓關節(jié)頭與底座連接，同時再與基座相連接，最后將脫模完成的肌腱-48-在感知-驅動一體化模塊方案設計中，我們詳細討論分布式控制原理，分別在足部及其他位置安裝感受器進行穩(wěn)定信號的傳遞，本文中主要通過機械閥門控制氣道回路，最終完成時刻控制氣動人工肌肉的拉伸與收縮，從而感知器主要分為了基本的興奮感知器，安裝在足底達到觸發(fā)壓力時，氣路狀態(tài)改面安裝輕質彈簧使其具有恢復力，當外力消失時候使氣路狀態(tài)及時改變，兩側的硅膠軟管主要連接大氣與啟動人工肌肉，初始位置時候，感知器狀態(tài)使得人工肌肉不充氣-49-4.3雙足機器人性能測試-柔耦合的踝關節(jié)，氣動人工肌肉以及感知驅動一體本文設計的雙足步行機器人能夠有效模擬人體在行走過程中下半身的關節(jié)結構變化，同時安裝在足底的分布式感知器進行控制感知，使氣動肌肉發(fā)生動作完成踝關節(jié)的轉動。通過對雙足機器人在靜態(tài)和動態(tài)條件下的穩(wěn)定性進行測試，我們可以更好地了解其運動性能，觀察機器人結構剛性是否設計合理，最終達到其在實際應用中的可其中靜態(tài)穩(wěn)定性的測試可以直觀的觀察在未加入電子控制時候由本生中重心變化得到的穩(wěn)定狀態(tài)。如果一個機器人在靜止狀態(tài)下都難以保持穩(wěn)定，那么其在運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性也會受到影響。通過靜態(tài)穩(wěn)定性的測試知道機器人的重心位置，保證重心靜態(tài)穩(wěn)定性越高；通過足底感知-驅動模塊反饋，觀在靜態(tài)測試中，首先通過基本的站立條件判斷其是否能夠進行穩(wěn)定站立，由實驗產(chǎn)生的擾動下能夠恢復穩(wěn)定性，且機器人承受沖擊后站立的成功率增加。相較于無反-50-4.3.2仿肌肉骨骼剛-柔耦合踝關節(jié)旋轉性能試及低阻力性，在擁有足夠的自由度情況下能夠滿足踝關節(jié)的運動過程中的力矩，不會本踝關節(jié)設計迭代包括了基本的關節(jié)頭迭代，第一代如下圖采用全剛性關節(jié)頭、基座連接完成，在踝關節(jié)進行轉動時由于內(nèi)部采用關節(jié)通過剛性關節(jié)設計，在提供關bcabcac通過改進引用硅膠制作半圓形關節(jié)頭，將其與基座連接進行運動，實際運動過程發(fā)現(xiàn)踝關節(jié)具有合適的運動關節(jié)阻力，通過對踝關節(jié)關節(jié)頭測試發(fā)現(xiàn)能夠滿足轉動要cbaba-51-在通過實驗反饋得到滿足基本的踝關節(jié)運動阻力以及自由度基礎上，我們發(fā)現(xiàn)踝關節(jié)的自適應恢復性較差，無法在進行運動周期后恢復原位。因此我們將整體結構進基座、類滑膜、仿肌腱組織，采用基座+襯套bcabca的自適應恢復性，測試采用半圓形硅膠關節(jié)頭在類滑膜中有潤滑液和沒有潤滑液關節(jié)活動情況。分別對踝關節(jié)矢狀面和冠狀面轉動阻力矩進行測試，由于該設計關節(jié)在矢狀面和冠狀面上的轉動角度對稱，因此只對關節(jié)在矢狀面和冠狀面的單個方向分別進行測量。在本實驗中，分別為兩組以是否在類滑膜中加入潤滑油而導致的踝關節(jié)阻力bcdabcda圖4.11感知-驅動一體踝關節(jié)機52—轉動阻力矩(N轉動阻力矩(N·CM)510152025303540轉動角度(°)根據(jù)關節(jié)轉動時的阻力矩測試實驗數(shù)據(jù)可以看出，關節(jié)阻力矩隨著轉角增大而增大，其原因主要為轉動角度的增大矢狀面與冠狀面轉動過程中仿肌腱組織在被拉伸狀看到存在潤滑液時可以明顯的降低關節(jié)在轉動時候的阻力矩，我們知道在正常步態(tài)周同時我們知道在機器人實際控制運動過程中踝關節(jié)角度的適當范圍對于步態(tài)穩(wěn)定能導致其他關節(jié)過度使用和磨損。角度過大時減少穩(wěn)定性，增加摔倒風險同時可能超采用剛-柔耦合的設計可以在提供足夠自由度的同時具有較能夠在關節(jié)被旋轉被拉伸后恢復初始位置保證關節(jié)的抗沖擊性滿足機器人的控制行走53—4.3.3氣動肌肉以及踝關節(jié)轉動性能最終氣動人工肌肉能夠提供充足的力矩使踝關節(jié)能夠在首先我們對氣動人工肌肉的在不同長度下的收縮力進行測量，判斷氣動肌肉的工作是否達到要求，以及在不同長度下氣動肌肉的收縮量能否滿足預期設計要求。圖中數(shù)據(jù)的實際收縮長度與理論收縮量不相同。經(jīng)過分析我們發(fā)現(xiàn)造成差別主要原因是在我們將氣動肌肉類視為規(guī)則圓柱體進行分析計算，但實際氣動肌肉進行收縮時為兩端呈圓錐形，因此得到的氣動肌肉理論收縮量與實際收縮量不一致，實際收縮量小于理其次，我們對踝關節(jié)在氣動肌肉的驅動下測量其驅動轉矩。首先將雙足機器人小腿以及足部機構單獨進行旋轉角度分析，隨后測量踝關節(jié)在氣動肌肉驅動下的轉矩。分別對踝關節(jié)轉動角度為5°、10°、腱組織的拉伸力增大，半圓形關節(jié)頭與踝關節(jié)基座產(chǎn)生的摩擦54—的驅動力矩，前文計算得出機器人支撐腳腳踝關節(jié)力矩τ≥82.32N.cm。由此得出氣而產(chǎn)生，將人體存在的非條件反射現(xiàn)象應用到機器人設計中，通過在機器人足部及其他位置安裝感受器進行信號傳遞產(chǎn)生動作。機械閥門與地面相互作用控制氣道回路開55—在前面章節(jié)設計的感知模塊主要是通過內(nèi)部活動桿件與外部固定件相對移動來改變氣管的通斷狀態(tài)，最終達到直接改變所連接肌肉的狀態(tài)（收縮/放松）。感知器足夠靈敏，才能面對不同環(huán)境改變道路的通斷。本設計中感知器的觸發(fā)力應小于外界的輸入力才能保證閥門更換氣路，制作發(fā)現(xiàn)感知器的切換力包括硅膠管的彈力、硅膠本測量通過使用測力計對感知器的切換力進行測量，取狀態(tài)切換過程中所需的最感知器切換力的平均值。實驗測得感知器的切換力受輸入氣壓較小，其觸發(fā)阻力主要本論文雙足機器人行走過程中，踝關節(jié)肌肉的激活狀態(tài)通過布置在足底和身體上知器在不同觸發(fā)位移下的氣壓輸出狀態(tài)以及不同觸發(fā)位移所需的觸發(fā)力來評定興奮感（a）不同觸發(fā)位移的輸出氣壓b）不同觸發(fā)位移所需的觸發(fā)力根據(jù)實驗結果，觸發(fā)力與出發(fā)位移之間不是線性的關系，56—我們重點分析并制作了周期性承載平臺以維持機器人的動態(tài)平衡，制作仿肌肉特性的能力評估，感知能力評估；另一方面收集驗證了所設計設備的有效性以及基于分布式控制的優(yōu)越性。首先對引入感知-驅動一體化設計的機器人的靜態(tài)性于非條件反射的感知-驅動一體化的反饋系統(tǒng)的能夠有效提高雙足機器人的靜態(tài)抗沖擊能力，機器人可以通過擺動平臺的周期性擺動以及感知-驅動一驅動力矩，滿足機器人穩(wěn)定行走的需求；對感知-驅動一體化單元的觸發(fā)通過本章節(jié)進行的評估實驗和數(shù)據(jù)分析，有效證實了所足步行機器人不僅具備穩(wěn)定的行走能力，而且能夠通過其感57—5.1研究工作總結本文針對現(xiàn)存的各類機器人在運動過程中存在傳統(tǒng)關節(jié)結構復雜、過分依賴中央控制器算法、電子傳感器問題而導致機器人關節(jié)對驅動形式及結構要求高，抗沖擊性的角度出發(fā)，在現(xiàn)有研究基礎上針對踝關節(jié)引入柔性驅動、具身智能思想設計了一款具有感知-驅動能力且不過分依賴中央控制器的雙足機器中存在運動與感知的相似問題；同時參考人體步行的生物力學原理，從踝關節(jié)結構優(yōu)臺實現(xiàn)雙足機器人的行走；針對機器人剛性關節(jié)結構復雜且抗沖擊能力差的問題，設計仿人體肌肉骨骼系統(tǒng)的踝關節(jié)機構；針對現(xiàn)存機器人過度依賴復雜傳感系統(tǒng)和中央控制器的問題，設計基于人體非條件反射機制的分布賴制器的前提下使機器人通過身體、地面和感知-驅動氣動人工肌肉相互配合最終完成自主地實現(xiàn)對踝關節(jié)的驅動；以設計具有穩(wěn)定、自適（2）根據(jù)機器人的整體方案設計進行動力學模型建的分析評估機器人在不同姿勢和外部擾動下的穩(wěn)定性，最總能否達到部分取代中央控在模型建立過程中借鑒人類步行的生物力學特性的基礎上，提出了一種類圓弧足直腿模型，首先對機器人整體與踝關節(jié)進行單獨的運動學分析，計算并驗證了設計的踝關節(jié)能夠滿足機器人在行走過程中的角度變化，踝關節(jié)的最大跖屈角應滿足θ1max≥58—通過拉格朗日方程計算得到了雙足機器人的動力學方程，以此能夠評估機器人的響應穩(wěn)定性；最后通過靜力學分析，得出了能夠滿足機器人正常行走時踝關節(jié)的關節(jié)支撐力矩τ=82.32N.cm與機器人支撐腳腳踝的最小感知器觸發(fā)力應滿足小于5N。針對機器人整體進行包括周期性承載平臺實物制作；仿肌通過為機器人結構的設計優(yōu)化制作，實驗得到感知-有效提高雙足機器人的靜態(tài)抗沖擊能力，機器人可以通過擺動平臺的周期性擺動以及感知-驅動一體化的踝關節(jié)自主改變驅動狀態(tài)；實驗得到估，感知能力評估；另一方面收集驗證所設計設備的有效性以及基于分布式控制的優(yōu)越性。最終得到關于在實際制作過程中存在的問題，以及與前文中的理論參數(shù)進行對針對現(xiàn)有雙足機器人踝關節(jié)存在由多個電動馬達系統(tǒng)驅動的結構復雜問題，通過針對現(xiàn)有雙足機器人踝關節(jié)存在驅動限制問題。探究關節(jié)肌肉與肌纖維的關系設滿足踝關節(jié)驅動的同時減少電子化的優(yōu)點。氣動肌肉組織的形狀和排列使得踝關節(jié)能59—（3）引入感知-驅動一體化單元賦予形態(tài)產(chǎn)生行為代替“計算”本文針對現(xiàn)有雙足機器人關節(jié)控制中存在依賴算法、中央處理器問題。設計了一種感知-驅動一體化單元用于機器人對外界環(huán)境以及自身狀完成,從而利用“身體”與環(huán)境交互的作用來產(chǎn)生行為，有效的提升了雙足機器人在面對復雜環(huán)境時候的自主適應性和動態(tài)穩(wěn)定性。同時降低了對中本文設計的具有感知-驅動模塊的踝關節(jié)雙足機器人在原本以控制算法為核心的研究上，通過改善踝關節(jié)的機械結構設計來獲得雙足機器人行走穩(wěn)定性。在驅動上使用了氣動執(zhí)行器進行機器人的驅動，同時通過應用分布式感知控制的原理設計了具有類感知能力的氣動邏輯控制門，能夠進行類似電子傳感器感知，同時引入具身智能思然而本設計的雙足機器人還存在部分問題，行走功能相較于成熟的電機控制機器（1）進一步優(yōu)化踝關節(jié)結構功能設計，提引入韌帶、肌腱等與踝關節(jié)穩(wěn)固連接，在網(wǎng)絡干擾等環(huán)境下實現(xiàn)（3）強化機器人具身智能化足部踝關節(jié)對復雜地形的自適應能動一體化單元的結構與控制邏輯，依賴材料或結構本身特性與環(huán)60—四年的本科生涯轉瞬即逝，在此，我要向所有出現(xiàn)在我生命中，給予我力量與幫本次論文的研究內(nèi)容在老師和師兄的幫助下能夠順利進行，非常感謝老師為我論明了研究方向，同時在我升學過程中給了我莫大的幫助，在我遇到困難時給予了我寶作，為我們樹立了很好的榜樣。感謝您們?yōu)槲覀儌魇趯I(yè)知識，提供學科領域的指導來到機電與車輛工程學院的四年，很慶幸能夠遇到一群志同道合的朋友，相逢是許多難忘的時光。你們的陪伴讓我的求學生涯更加豐富多彩。這段時間一起的回憶將的支持和鼓勵讓我能渡過層層難關，你們的關心是我前進的動力，也是我面對困難時在接下來的學習生涯中，我會帶著在本科階段學習的知識以更加飽滿更加積極的心態(tài)迎接研究生的學習，以更加優(yōu)異的成績回報所有關心和支持我的人。在學校的學61—[1]十五部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[J].機器人技術與應用,2022,(01):1.[2]任福繼,孫曉.智能機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].科技導報,2015,33(21):32-38.[3]陶永,王田苗,劉輝等.智能機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的思[4]門寶,范雪坤,陳永新.仿生機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J].機器人技[5]虞漢中,馮雪梅.人形機器人技術的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].機械工程師,2010,(07):3-6.[6]HowtheBodyShapestheWayWeThink:ANewViewofIntelligence[J].JournalofMedicine&thePerson,2009,7(2):110-111.[7]TrovatoG,ZeccaM,SessaS,etal.Cross-cultction:acceptanceanddiscomfortbyEgyptiansandJapanese[J].[9]TakanishiA,TochizawaM,TakeyaT,etal.RealizationofDynamicBipedbilizedwithTrunkMotionUnderKnownExternalForce[J].SpringerBerlinHeidelberg,1989.[10]LimH-o,OguraY,TakanishiA.Locomotionpatterngenerationandmechanismsofanewbipedwalkingmachine[J].ProceedingsoftheRoyalSocietya-MathematicalPhysicalandEngineeringSciences,2008,464(2089):273-[11]NiiyamaR,KuniyoshiY.Apneumaticbipedwithanartificialmusculoskeletalsystem;proceedingsoftheProceedingsof4thInternationalSymposiumonAdaptiveMotionofAnimalsandMachines,F,200[12]HiroseM,OgawaK.Hondahumanoidrobotsdevelopment[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyA:Mathematical,PhysicalEngineeringSciences,2007,365(185[13]HiraiK.CurrentandfutureperspectiveofHondahumamoidrobot;proceedingsoftheProceedingsofthe1997IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotandSyst62—emsInnovativeRoboticsforReal-Wo[14]SakagamiY,WatanabeR,AoyamaC,etalndintegration;proceedingsoftheIEEE/RSJinternationalconferenceonintelligentrobots 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