仿人机器人机构设计与步行仿真

摘要

仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。它是一门高度交叉的学科，它广泛涉及机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个领域，是目前科学研究最活跃的领域之一。由于仿人机器人关节众多，结构复杂，并且要求控制精度高，所以仿人机器人的机构设计、步态规划是否合理，直接关系到机器人行走的成功与否。本文以仿人机器人为研究对象，主要做了以下工作:
　　首先，回顾和介绍了仿人机器人的历史和发展现状，和其他最新的研究进展，并介绍了本文的主要研究内容。
　　接着，根据人体的下肢各部分比例，确定了机器人下肢整体的设计方案。并根据人体的驱动方式，设计了一种新型的直线驱动器，根据此驱动器，设计了踝关节、膝关节、髋关节的机构，并通过合理的布置驱动器，减少了机器人的运动惯性，并且更加美观。
　　然后，根据设计的机构建立机器人的数学模型，采用前向侧向运动相互分离的方式，首先进行静力学规划，然后简化模型，通过用时间离散ZMP方程式，得出机器人质心轨迹，对其进行离散的离线的动态规划。
　　其次，利用动力学仿真软件ADAMS建立了仿人机器人的虚拟样机模型，利用MATLAB的Simulink工具箱建立仿人机器人的控制系统，通过ADAMS/Control接口模块实现了两者的联合仿真，验证了机构设计，步态算法的有效性，并且得出了机器人运动时的电机转矩，各转角力、力矩参数。
　　最后，根据测出的数据，对仿人机器人关键的轴、连杆、轴承进行了校核。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 机器人研究现状

1．2．1 国外机器人发展现状

1．2．2 国内机器人发展现状

1．3 新型的仿人机器人

1．3．1 基于人工肌肉的驱动方式

1．3．2 被动行走机构

1．4 本课题研究内容

1．5 小结

第2章 仿人机器入机构设计

2．1 机构设计

2．1．1 自由度的配置

2．1．2 各关节角的运动范围

2．1．3 仿人机器人驱动方式的选择

2．1．4 驱动器的设计

2．1．5 仿人机器人踝关节的设计

2．1．6 仿人机器人髋关节的设计

2．1．7 仿人机器人膝关节的设计

2．2 仿人机器人运动计算

2．2．1 膝关节运动转角转化计算

2．2．2 髋、踝关节运动转角转化计算

2．3 仿人机器人整体结构尺寸以及材料的选择

2．4 小结

第3章 仿人机器人步态规划

3．1 引言

3．2 简化模型的建立

3．3 仿人机器人的正运动学

3．4 仿人机器人的逆运动学

3．5 仿人机器人的步态规划

3．5．1 仿人步行基本概念

3．5．2 仿人步态规划

3．6 仿人机器人基于ZMP的动力学规划

3．7 小结

第4章 基于虚拟样机的仿人机器人动力学仿真

4．1 引言

4．2 ADAMS软件介绍

4．3 仿人机器人的虚拟样机建模

4．3．1 虚拟样机的机械建模

4．3．2 模型导入后的处理

4．3．3 模型的动力学分析

4．3．4 虚拟样机控制系统设计

4．3．5 结果后处理

4．4 小结

第5章 仿人机器人重要零部件的校核

5．1 关键轴承的校核

5．2 关键轴的校核

5．2．1 踝关节轴的校核

5．2．2 驱动器连接杆的校核

5．2．3 仿人机器人小腿杆件的校核

5．3 小结

第6章 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢