類人機器人行走機構(gòu)虛擬樣機的研究.pdf

1、類人機器人已經(jīng)成為機器人領(lǐng)域的研究熱點，雙足行走方式靈活性非常高，可以在人類日常生活工作的環(huán)境中與人類協(xié)作完成各種任務(wù)，并且在人類不能進(jìn)入的作業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外很多家科研單位都開展了類人機器人的研究，并取得了很大的進(jìn)展，極大的推動了類人機器人的發(fā)展。然而類人機器人的快速、穩(wěn)定行走，機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計仍然是一個世界難題。
　　本文建立了類人機器人虛擬樣機模型，對機器人運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了分析，并對機器人在虛擬環(huán)境下

2、的運動進(jìn)行了仿真分析，研制了機器人物理樣機，進(jìn)行了機器人平地行走實驗，主要工作如下:
　　首先，總結(jié)了國內(nèi)外類人機器人研究現(xiàn)狀，分析了典型類人機器人的自由度分布，對目前類人機器人研究中存在的問題做了分析，提出類人機器人未來的發(fā)展方向。根據(jù)人體腿部各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，對類人機器人行走機構(gòu)進(jìn)行了仿生設(shè)計，并對類人機器人行走機構(gòu)各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩進(jìn)行了計算，對各關(guān)節(jié)驅(qū)動元器件進(jìn)行了選型，主要包括電機、諧波減速器和同步帶輪的選型。
　　其次，

3、采用SIMP材料差值方法，以結(jié)構(gòu)受力應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo),體積和結(jié)構(gòu)平衡方程為約束條件，建立了機器人腿部連桿結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。在ANSYS優(yōu)化模塊中，對機器人連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化后的機器人連桿結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強度的條件下實現(xiàn)了質(zhì)量最小化。
　　再次，介紹了剛體位姿的描述和齊次變換法，建立了類人機器人行走機構(gòu)的正、逆運動學(xué)模型，運用D-H方法和矢量法推導(dǎo)出正、逆運動學(xué)方程。對類人機器人行走機構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)分析

4、，分別求出機器人腿在支撐狀態(tài)和擺動狀態(tài)下的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩。
　　最后，基于ADAMS和MATLAB，分別建立了的類人機器人機械模型和控制模型，實現(xiàn)了類人機器人的機電聯(lián)合仿真分析，驗證了設(shè)計方案的合理性，并得到了機器人在行走過程中腿部各個關(guān)節(jié)的力矩變化曲線，為選擇電機、減速器等部件提供了依據(jù)。搭建了機器人測試與實驗平臺，進(jìn)行了機器人平地行走實驗，實驗結(jié)果驗證了設(shè)計的類人機器人結(jié)構(gòu)及控制方法的可行性及正確性。