基于虚拟样机的仿人机器人步态规划方法的研究

摘要

机器人技术是当今世界最前沿的研究领域之一，其中仿人机器人是最具有代表性的智能机器人，因为仿人机器人外观和人类相仿，采用双足行走，相对其他形态的机器人对环境有更好的适应能力。仿人机器人可以取代人类完成高危作业等工作，在航空、军事等领域具有广阔的发展前景。在仿人机器人的研究方向里，对机器人的步态进行合理的规划，使得机器人能够在目标环境中稳定行走是核心问题。本课题以实验室自主仿人机器人为背景，以仿人机器人的虚拟样机为平台，对双足机器人的步态规划方法和行走稳定性进行研究。主要工作如下：
　　1.以实体机器人为模型，采用 D-H法则对机器人进行建模，将机器人简化为七连杆模型，对该机器人整体建立全局坐标系，同时以各个杆件的质心为原点，分别确立其局部坐标系；通过D-H矩阵法建立机器人的正运动型模型和逆运动型模型，从而得到机器人位姿和重要关节角度的关系，根据机器人位姿矩阵求逆解，推导出各个关节的角度，这是步态规划的基础。最后，通过动力学方程，在机器人步行单足和双足支撑阶段建立动力学模型。对步行机器人的稳定条件进行分析，分别得出低速行走状态下的静态行走的重心位置和快速行走状态下的ZMP点的计算公式。
　　2.以零力矩点作为判断标准，对机器人的步态规划进行设计，首先根据机器人的步行中的约束条件，利用三次插值的方法，求解出各个关节运动轨迹，再根据逆运动学方程，求解出实际的ZMP的运动轨迹，将实际的运动轨迹和理想轨迹做对比，逐步改进机器人步行参数，最终实现机器人的稳定行走。
　　3.建立虚拟样机平台，首先通过建模软件 Pro_E，以实体机器人为模板建立机器人的三维模型，然后将该模型导入仿真软件ADAMS中，输入设计好的运动轨迹，对机器人的行走动作仿真。ADAMS经过仿真后输出机器人的行走录像以及实际关节轨迹、角度、力矩等曲线验证步态规划的可行性。
　　4.将规划好的关节运动轨迹信息输入到实际机器人的下位机程序中,进一步验证步态规划的可行性。经过仿真实验和机器人的实际步态行走证明，该步态规划可以保证机器人稳定行走。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外仿人机器人的研究现状及分析

1.3 国内外步态规划及控制方法的研究

1.4 虚拟样机技术简介

1.5 本文的主要研究内容

第2章 仿人机器人的建模和稳定性分析

2.1引言

2.2 目标机器人系统结构特性

2.3 双足机器人运动学建模

2.4 仿人机器人的动力学建模

2.5 仿人机器人步态稳定条件分析

2.6 本章总结

第3章 仿人机器人的步态规划设计

3.1 引言

3.2 步态规划的数学分析设计

3.3 关节动作曲线的规划

3. 4 本章总结

第4章 基于虚拟样机的机器人步态规划实验

4.1 引言

4.2 基于Pro/Engineer的三维建模

4.3 基于ADAMS的机器人步行运动仿真

4.4 实验室自主机器人上的步行实验验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢