仿人机器人腿部关重件设计与步行仿真研究

摘要

仿人机器人对于复杂地形和恶劣的环境具有较强的适应能力，由于其具有类人的结构，能很好的适用人类生活环境。仿人机器人的本体结构为后续研究的基础，本文分析了国内外仿人机器人的发展现状，针对我国仿人机器人运动能力不足的问题，在腿部结构、步态规划等方面进行了研究。
　　首先，分析了人体的骨架组成和关节原理，确定了仿人机器人的自由度和各个部位的尺寸。通过对仿人机器人的重心、刚度、惯量等方面的研究，验证了本文所提机械结构的优越性。针对常用驱动器的优缺点，合理选择并确定了驱动器。针对仿人机器人外界环境的不确定性因素，提出了一种可变刚度关节设计。
　　其次，对仿人机器人腿部关重件进行了结构设计。研究了腿部各个关节的特点，针对髋关节的功能与要求，采用了模块化设计的思想，减小了关节的体积。针对膝关节的冲击影响，采用主动变刚度的设计思想，减小工作环境的不确定性。以腿部结构减重为目标，对大腿结构采用了拓扑优化的设计方法。采用有限元分析的方法，验证了大腿结构的可靠性。
　　接着，根据仿人机器人本体结构的特点，推算并建立了二维倒立摆的数学模型。根据仿人机器人的行走特点对其步态进行了离线规划。通过ZMP方法，验证了步态的稳定性。
　　最后，搭建了虚拟样机仿真平台，验证了机械结构和步态规划的合理性，得到了仿人机器人相关关节的力矩与速度变化的曲线，为驱动器的选型提供了依据。

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1 绪 论

1.1课题的来源、背景、目的及意义

1.2国内外研究现状与分析

1.3本文的主要工作与结构

2 仿人机器人腿部结构及柔顺驱动模型分析

2.1引言

2.2 仿人机器人腿部结构分析

2.3仿人机器人驱动系统

2.4传感器与控制系统

2.5柔顺驱动器模型分析

2.6本章小结

3 仿人机器人髋、膝关节与大腿的设计

3.1引言

3.2关节设计原则

3.3髋关节设计

3.4膝关节设计

3.5大腿拓扑优化

3.6本章小结

4 仿人机器人步态规划

4.1引言

4.2倒立摆模型

4.3仿人机器人行走规划

4.4仿人机器人步行稳定性判断

4.5本章小结

5 仿人机器人虚拟样机步行仿真与分析

5.1引言

5.2虚拟样机简介

5.3仿人机器人虚拟样机建模

5.4数据处理与分析

5.5驱动器的选择

5.6本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献