双足步行机器人的设计与实现研究

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 3.17MB 78 页 15积分
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摘 要
在当今社会中机器人技术的发展是明显的，它不仅是把人们从繁重的劳动中
解放出来的希望，而且不断向智能化方向发展。随着虚拟样机技术的应用越来越
广泛，可以在产品设计的初期，设计结构，分析数据和评测产品的优劣，明确参
数和优化物理样机，以此来减少新产品的开发风险、提高产品的性能、使开发周
期减短、等等方面都有着绝对的优势。这使得机器人技术不仅变成国防等高端建
设中不可或缺的部分，而且它在基础工业中也发挥越来越大的作用。与其它机器
人相比，双足机器人具有更高的灵活性，更适合在人类的生活和工作环境中与人
类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。本文结合虚拟样机技术
对双足机器人进行分析，包括如下研究工作：
首先，详细介绍世界上机器人技术的总体方向和发展的趋势，国内外机器人
发展情况，为我国的机器人发展提供了参考。随着技术提高，应用虚拟样机技术
可以节省很多制造物理样本的财力物力。
其次，介绍了世界上分析机器人的 DH 方法的产生和建立方法，包括刚体位
姿的描述，机器人的位姿分析，DH 坐标的建立规则等。接着引出本文所设计的物
理样机，在物理样机的尺寸和转动关节的基础上建立了 DH 坐标并且求得各个位
姿矩阵。对机器人进行正运动学分析和逆运动学分析。
再者，在所建立的 DH 坐标基础上，在正运动学和逆运动学的基础上，介绍
了双足仿人步行机器人步态规划的基本概念和基本方法，采用静态步行方式，将
机器人的运动分为起步阶段，中步阶段和止步阶段三个阶段分别进行轨迹规划，
求得前进运动，上台阶运动和下台阶运动中各个关节的转动角度。
然后，介绍了虚拟样机建立的方法。首先介绍了ADAMS 软件，然后介绍仿
真模型从 SolidWorks 导入到 ADAMS 中的过程方法，设定仿真基本环境，包括单
位和零件的材料质量等。设定各个约束副，添加驱动，施加载荷，主要是机器人
脚板和地面（台阶）之间的接触力，最后对虚拟样机模型进行检验。
接着，在仿真工作完成后，将仿真中的关节运动与轨迹规划中设定的运动进
行对比，验证轨迹规划中所设定参数的仿真正确性；将仿真中实际的 ZMP 轨迹和
支撑多边形运用 Matlab 软件描绘到一张图上，以验证轨迹规划所设定的参数选取
的正确性；最终实现物理样机的运动。
最后，对机器人的发展做了展望并对自己所做的研究做了总结。
关键词：双足机器人 仿人 DH坐标 ADAMS 仿真 ZMP
ABSTRACT
The technology development of robot is obvious in recent years. Not only does it
have a chance to liberate the people from the hard work, but also tend to intelligent
direction. With the application of virtual prototype technology is more and more
extensive, the structure is designed, data is analysed and product quality is evaluated,
parameters are clear and physical prototype is optimized, so as to reduce the develop
-ment of new products risk, improve product performance, cut short development cycle,
and so on. This makes the robot technology not only become an indispensable part of
defense and other high construction, but also plays a more and more important role in
the basis of industry. Compared with the others，the biped robot is more flexible，more
suitable for working together with human in people’s living and working environment，
without the need for the specialized large-scale transformation of the environment. In
this paper, make the analysis on the bipedal humanoid robot. It include the following
aspects:
First,introduce overall direction and development trend of robot technology in the
world. Development of robots at home and abroad provides reference material for our
country's robot development. As technology improve, the application of virtual proto
-type technology can save a lot of resources for manufacturing physical sample.
Second,introduce the analysis method of the DH coordinate system, including the
description of the rigid body pose, analysis of robot pose, the establishment rules of the
DH coordinates system, etc. Then exhibit the design of physical prototype, establish the
DH coordinates on the basis of the physical prototype and obtaine each pose matrix.
The robots are analysed in kinematics and inverse kinematics.
Third, according to the DH coordinates, based on the kinematics and inverse
kinematic introduce the basic concept and basic methods of the humanoid robot walking
gait planning.Use static way to design the movement of the beginning stage, the middle
stage and stop stage . Work out the rotation Angle of each joint for getting forward
movement, upstairs and downstairs movement.
Forth, introduce virtual prototype established method. First of all introduce
ADAMS software, and then introduce the process method how to import simulation
model from SolidWorks to ADAMS, set the simulation basic environment, including the
unit and materials of the parts, etc. Set each constraint, drive, load, mainly contact force
between the robot baseboard and ground (step). In the end, inspect the virtual prototype
model.
Fifth, compare the motions of joint in the simulation with the trajectory planning of
the movement to get the accuracy verification of parameters in the trajectory planning in
the simulation; Describe the ZMP track and support polygon on one chart with matlab
software to to verify the correctness of the parameter selection in trajectory planning;
Finally physical prototype realize the movement.
Last, make a research summary and look forward to the future of the robot
development.
Key words: bipedal robot,humanoid,DH coordinates,ZMP,ADAMS
simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
§1.1 引言 ................................................................................................................. 1
§1.2 国内外发展状况 ............................................................................................. 1
§1.2.1 国外发展状况 ....................................................................................... 1
§1.2.2 国内发展状况 ....................................................................................... 5
§1.3 双足步行机器人虚拟仿真的意义 ................................................................. 6
§1.4 研究内容 ......................................................................................................... 7
第二章 双足步行机器人的运动学分析 ........................................................................ 8
§2.1. 引言 ................................................................................................................ 8
§2.2 刚体位姿的描述 ............................................................................................. 8
§2.2.1 位置描述 .............................................................................................. 8
§2.2.2 方位的描述 .......................................................................................... 8
§2.2.3 坐标系的描述 ...................................................................................... 9
§2.3 齐次坐标与动系位姿矩阵 ........................................................................... 10
§2.3.1 齐次坐标 ............................................................................................ 10
§2.3.2 动系的位姿表示 .................................................................................11
§2.4 机器人的位姿分析 ........................................................................................11
§2.4.1 坐标系号的分配方法 .........................................................................11
§2.4.2 各坐标系的方位的确定 .................................................................... 12
§2.4.3 连杆坐标系间的变换矩阵 ................................................................ 14
§2.5 双足步行机器人的正运动学 ........................................................................ 15
§2.6 双足步行机器人的逆运动学 ........................................................................ 20
§2.7 本章小结 ....................................................................................................... 23
第三章 双足步行机器人的步态规划 .......................................................................... 24
§3.1 引言 ............................................................................................................... 24
§3.2 双足步行的基本概念 ................................................................................... 24
§3.3 ZMP 理论及其推导 ....................................................................................... 26
§3.3.1 三维地面作用力下的 ZMP 分析 ...................................................... 26
§3.3.2 ZMP 的推导 ........................................................................................ 28
§3.3.3 支撑多边形 ........................................................................................ 29
§3.4 前进运动的规划 ........................................................................................... 30
§3.5 上台阶运动的规划 ....................................................................................... 33
§3.6 下台阶运动的规划 ....................................................................................... 37
§3.7 本章小结 ....................................................................................................... 40
第四章 虚拟样机的建立 .............................................................................................. 42
§4.1 引言 ............................................................................................................... 42
§4.2 虚拟样机技术和软件简介 ........................................................................... 42
§4.3 双足步行机器人虚拟样机的建立 ............................................................... 44
§4.3.1 导入仿真模型 .................................................................................... 44
§4.3.2 设定工作环境 .................................................................................... 46
§4.3.3 设定约束副 ........................................................................................ 47
§4.3.4 定义机构的运动 ................................................................................ 48
§4.3.5 施加载荷 ............................................................................................ 49
§4.3.6 虚拟样机模型检验 ............................................................................ 50
§4.4 本章小结 ....................................................................................................... 51
第五章 双足机器人虚拟仿真后处理 .......................................................................... 52
§5.1 引言 ............................................................................................................... 52
§5.2 实际仿真结果演示 ....................................................................................... 52
§5.3 轨迹规划仿真结果分析 ............................................................................... 56
§5.3.1 前进运动轨迹规划仿真结果分析 .................................................... 56
§5.3.2 上台阶运动轨迹规划仿真结果分析 ................................................ 60
§5.4 ZMP 仿真结果分析 ....................................................................................... 63
§5.5 双足机器人实体运动 ................................................................................... 64
§5.6 本章小结 ....................................................................................................... 67
第六章 总结与展望 ...................................................................................................... 68
§6.1 研究总结 ....................................................................................................... 68
§6.2 问题与展望 ................................................................................................... 69
参考文献 ........................................................................................................................ 70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 74
致 谢 ............................................................................................................................ 75
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
20 世纪人类的最伟大发明之一是机器人，从六十年代开始以来，已取得了实
质性的进步和成绩。在传统生产制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期
后，成为了制造业中不可或缺的核心自动化装备[1]，现在约有百万台工业机器人活
跃在各个生产现场。
在非传统制造领域，特种机器人由于其独特特征，近年来发展十分迅速，服
务机器人、水下机器人、医疗机器人、娱乐机器人纷纷问世，并且正在向实用性
迈进。机器人系统和技术集机械、精密机械、计算机技术、自动控制技术、传感
器技术、人工智能等技术之大成，是典型的机电一体化技术。国家的综合实力水
平可以由机器人代表。目前，许多先进工业发达国家将机器人技术列为本国的高
新技术发展纲要，足以看出大力发展机器人的重要性。机器人近年来发展呈现两
种趋势：在横向上，应用领域不断由传统制造领域向人类工作生活等社会方向延
伸，种类逐渐增多。另一方面是纵向上，随着智能化及虚拟现实技术等不断的完
善，机器人需要范围不断地扩展，应用扩大，遍布于工业、科技、国防等各部门，
大部分机器人水平将提高到更智能的水平[2]。
仿人双足机器人是当下的机器人研究领域当中的最前沿课题之一，它是将机
械、计算机、材料等多个学科领域有机的结合在一起，体现了自动化和智能化研
究水平，同样是高新科技能力的重要判定根据，当今各发达国家都投入了大量的
技术人力资源和物质资源在仿人双足机器人的领域当中，而现在仿人双足机器人
的技术已经是衡量一个发达国家的自动化与智能化的研究水平的重要标志，是重
点研究开发的技术之一。双足仿人机器人目前技术已经取得很大的进展，其中著
名的双足机器人有 ASIMO、WA BIAN、HRP-2、H7、QRIO、Johnnie、P2 等。本
文通过研究仿人结构的双足仿人机器人，对拟人步态的规划、仿人机构的设计、
行走步态的稳定性及仿真等关键性技术进行探索，为双足仿人机器人行走技术的
研究提供了参考资料。
§1.2 国内外发展状况
§1.2.1 国外发展状况
从二十世纪六十年代始，世界对双足机器人进行研究。至今 50 年的时间里，
双足机器人的发展伴随动力学系统技术，生产制造技术，计算机技术，还有信息
技术的飞速发展，有了非常大的突破。美国通用公司的 Rsmo-sher 最早开始研究双
足机器人，其设计研制了名为“Rig”操纵型双足机器人，这揭开了对双足机器人
摘要：

摘要在当今社会中机器人技术的发展是明显的，它不仅是把人们从繁重的劳动中解放出来的希望，而且不断向智能化方向发展。随着虚拟样机技术的应用越来越广泛，可以在产品设计的初期，设计结构，分析数据和评测产品的优劣，明确参数和优化物理样机，以此来减少新产品的开发风险、提高产品的性能、使开发周期减短、等等方面都有着绝对的优势。这使得机器人技术不仅变成国防等高端建设中不可或缺的部分，而且它在基础工业中也发挥越来越大的作用。与其它机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性，更适合在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。本文结合虚拟样机技术对双足机器人进行分析，包括如下研究工作：...

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