小型双足人形机器人机构设计与步态规划

摘要

人形机器人一直是机器人领域研究的热点，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、信息工程、自动控制工程以及人工智能和仿生学等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。课题旨在设计一种小型双足人形机器人平台，在此基础上对双足机器人的步行机理进行研究，为进一步设计自主的智能双足人形机器人积累经验。
　　以人体结构为模仿对象，对其进行了抽象与简化。应用微型伺服马达作为驱动元件，采用集中式控制，并在分析自由度配置及传感器应用方案的基础上，对小型双足人形机器人的本体机构进行设计。
　　机器人采用离线规划—再线调整的行走方式，其中，对机器人离线规划提出三步规划法。首先，结合对人类行走步态的研究，规划机器人行走姿态及轨迹；在此基础上建立并求解运动学方程，获得机器人行走时各关节的转角曲线；最后，针对前向运动与侧向运动之间的耦合，对求得的运动曲线进行修正，使机器人在保证稳定的前提下，动作更加流畅。结合机器人物理样机模型，利用三步规划法规划机器人行走步态，使其在平行步态下实现静态步行。
　　应用虚拟样机技术，对机器人行走步态进行仿真实验。在SolidWorks中建立机器人的简化模型，导入仿真软件Adams中，再利用Matlab中得到的运动曲线控制虚拟样机模型的关节运动。通过联合仿真实验获得机器人行走时的动态图像及实验数据，验证步态规划方法的可行性。最后应用规划的关节运动曲线控制微型伺服马达，实现物理样机的稳定行走，进一步验证理论研究的正确性和有效性。

目录

小型双足人形机器人机构设计与步态规划

Design and Gait Planning of Miniaturization Biped Humanoid Robot

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 双足人形机器人特点及研究意义

1.2 国内外人形机器人研究发展现状

1.2.1 国外人形机器人研究概述

1.2.2 国内人形机器人研究概述

1.3 步态规划方法的发展

1.4 课题来源、主要研究内容

第2章 机器人机构设计

2.1 引言

2.2 自由度配置

2.2.1 下肢自由度

2.2.2 上肢自由度

2.3 驱动、控制元件选择

2.3.1 驱动元件

2.3.2 控制元件

2.4 传感器配置

2.4.1 脚底设计

2.4.2 头部设计

2.5 整体机构介绍

2.6 本章小结

第3章 步态规划方法研究

3.1 引言

3.2 步态规划基本原则

3.2.1 静态步行

3.2.2 平行步态

3.3 步态规划基本方法

3.3.1 完整步行过程

3.3.2 三步规划法

3.4 人类行走步态研究

3.4.1 研究方法

3.4.2 HMCD 研究

3.5 本章小结

第4章 机器人步态规划

4.1 引言

4.2 规划机器人姿态及轨迹

4.2.1 行走姿态及轨迹

4.2.2 步态参数设定

4.3 求解关节运动轨迹

4.3.1 运动学方程的建立

4.3.2 运动学方程的求

4.4 关节运动轨迹修正

4.4.1 误差分析

4.4.2 轨迹修正

4.5 MATLAB 仿真

4.6 本章小结

第5章 仿真及实验结果分析

5.1 引言

5.2 虚拟样机仿真

5.2.1 建立虚拟样机模型

5.2.2 仿真结果分析

5.3 物理样机实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

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哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢