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两足仿人机器人的研制

作　者: 王健
导　师: 孙志峻
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 双足仿人机器人自由度配置运动学分析稳定步行步态规划仿真控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着科学技术的进步,机器人的应用领域不断拓宽,其中双足仿人机器人以其独特的特点受到了各方的广泛关注,成为机器人研究领域的热点。双足仿人机器人行走系统占地面积小,活动范围大,对步行环境要求低且具有一定的逾越障碍的能力,移动“盲区”小,具有广阔的应用领域。由于双足步行是生物界难度最大的步行动作,但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的,因此双足步行是双足仿人机器人研究的关键技术之一,稳定的步行是双足仿人机器人区别于其他机器人的主要标志。本课题旨在研制一种双足仿人机器人,通过对机器人进行步态规划,使其实现稳定步行。首先,通过对机器人的构型方式和自由度配置方案的分析,确定了串联构型方式及符合机器人功能要求最少自由度的机器人设计方案,结合人体形态特征和仿生学,在PRO/E中对机器人进行了实体造型和虚拟装配,设计出了尺寸比例接近于人体的机器人机械本体。其次,构造出了机器人运动学模型,建立了运动学方程并进行了运动学分析,正运动学分析求出了描述机器人位姿的变换矩阵,逆运动学分析根据位姿求出了机器人各关节的运动角度。各关节的雅可比矩阵的求解为判断机器人奇异位置提供了依据。运动学分析为机器人步态规划奠定了基础。再次,对机器人步态类别和步行稳定条件进行了分析,并对ZMP进行计算为稳定步行提供了依据,采用ZMP步态规划方法对机器人进行了步态规划;在仿真软件ADAMS中建立了仿真模型,对步行时机器人已规划好的步态进行了仿真验证,并对运动时机器人脚掌、重心、关节角度进行了验证,验证了结构设计和步态规划的合理性,对运动时各关节力矩的仿真验证了所选电机能满足需要。最后,实现了机器人的物理样机,对机器人的控制系统进行了设计,完成了对控制器的选型并基于选中的TMS320F2812芯片设计出了DSP硬件控制电路,并设计出了反馈采样电路。在CCS中对控制系统软件进行设计,选用PID控制方法并采用模块化的设计方案实现主程序的编写,最终实现了对机器人的控制。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-19
  1.1 引言  12
  1.2 国内外研究状况  12-17
    1.2.1 国外研究状况  12-16
    1.2.2 国内研究状况  16-17
  1.3 科学意义和应用前景  17-18
  1.4 课题研究的主要内容  18-19
第二章机器人机械本体设计  19-26
  2.1 引言  19
  2.2 双足机器人设计要点  19-23
    2.2.1 双足机器人构型  19-21
    2.2.2 双足机器人的自由度配置  21-23
  2.3 驱动及传动部件选型及材料选择  23-24
  2.4 外观尺寸设计  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章机器人运动学分析  26-37
  3.1 引言  26
  3.2 运动模型建立  26-27
  3.3 运动学分析  27-33
    3.3.1 正运动学分析  28-31
    3.3.2 逆运动学分析  31-33
  3.4 腿部奇异姿态的判定  33-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章机器人步态规划与仿真验证  37-59
  4.1 引言  37
  4.2 运动稳定性判据  37-41
    4.2.1 步态的分类  37-38
    4.2.2 ZMP 稳定判据  38-40
    4.2.3 ZMP 计算  40-41
  4.3 步态规划  41-45
    4.3.1 机器人上身规划  41
    4.3.2 机器人脚掌运动规划  41-42
    4.3.3 机器人运动姿态规划  42
    4.3.4 机器人重心规划  42-43
    4.3.5 步态规划流程  43-44
    4.3.6 关键点规划法  44-45
  4.4 ADAMS 仿真  45-58
    4.4.1 仿真流程  46
    4.4.2 步态仿真  46-49
    4.4.3 重心变化范围仿真  49-51
    4.4.4 关节角度仿真  51-52
    4.4.5 脚掌运动仿真  52-53
    4.4.6 关节力矩仿真  53-58
  4.5 物理样机实现  58
  4.6 本章小结  58-59
第五章机器人控制系统设计  59-73
  5.1 机器人控制系统基本组成要素  59
  5.2 机器人控制系统结构  59-60
  5.3 主控制系统硬件设计  60-64
    5.3.1 控制器选定  60-61
    5.3.2 DSP 最小系统硬件电路  61-63
    5.3.3 传感器信息采集模块电路  63-64
  5.4 控制系统开发环境与控制算法  64-68
    5.4.1 DSP 开发环境及程序结构  65
    5.4.2 控制方法  65-68
  5.5 主程序设计  68-72
    5.5.1 系统初始化模块  69-70
    5.5.2 关节回零模块  70-71
    5.5.3 关节控制模块  71-72
  5.6 本章小结  72-73
第六章总结  73-75
  6.1 全文总结  73-74
  6.2 研究展望  74-75
参考文献  75-79
致谢  79-80
在学期间的研究成果及发表的学术论文  80-81
附录 DSP 系统原理图  81-83

两足仿人机器人的研制

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