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双足被动行走器动力学特性的实验研究

作　者: 毕来业
导　师: 王天舒
学　校: 清华大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 被动行走 测试系统 虚拟样机 实验与仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


被动动力行走是双足拟人机器人领域新的研究分支。被动行走器能够充分利用本身的动力学特点，仅在重力的作用下就可以实现斜坡上的自主行走。在此基础上研制的半被动行走机器人，与完全主动式机器人相比拥有步态逼真、能量利用率高的优点。本文首先介绍了双足拟人机器人技术与研究被动动力行走的意义，总结了国内外主要的研究进展，并着重介绍了相关研究小组开展的实验研究。分析了本课题的研究需求，即在行走样机的基础上，搭建实验测试系统，进行被动行走器的运动学和动力学特性测量实验，并建立仿真模型，模拟实验的环境与参数，进行仿真研究并与实验结果进行对照分析。本文接下来对直腿双足被动行走器的模型进行了描述和分析，给出了研究中感兴趣的待测参数与测点，针对每个待测参数提出了相应的测量方案，并选定了传感器的型号。测试系统总体上采用基于计算机的测试系统，采用虚拟仪器软件LabView和多用途数据采集（DAQ）设备。针对传感器的不同输出设计了相应的采样任务，针对各个测点建立了测量通道，最终完成了测试程序编写。系统搭建完成后进行了系统的调试与验证，对各个传感器的效果进行了验证，对部分传感器进行了灵敏度的标定。开展了行走实验，得到的数据能够清晰地反映被动行走中的力学现象。在实验研究的同时，采用MD/Adams仿真建立了与实验环境相对应的仿真环境，将用于加工样机的CAD模型直接导入成为CAE模型，开展了被动行走的仿真研究，仿真结果与实验测试结果有着良好的可比性，同样可以揭示被动行走中的动力学现象。在上述所有工作的基础上，设计了新的带膝关节构型的被动行走器人，并建立了初步的仿真验证模型，实现了虚拟样机在斜坡上的被动行走。对样机方案行走了详细的结构设计，既在直腿样机的基础上进行的优化与修改，同时又为移植现有测试系统留下了机械接口，从而能够拓展课题研究的广度和深度。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 课题背景与意义  8-20
  1.1 课题来源与需求分析  8
  1.2 双足拟人机器人技术简介  8-9
  1.3 双足被动行走机器人的研究意义  9-11
  1.4 双足被动行走机器人的研究进展  11-18
    1.4.1 开创性工作  12-13
    1.4.2 Cornell 大学的主要工作  13-14
    1.4.3 MIT 学院的主要工作  14
    1.4.4 TU Delft 大学的主要工作  14-16
    1.4.5 其它大学与研究机构的主要工作  16-17
    1.4.6 国内大学与研究机构的主要工作  17-18
  1.5 本文主要内容  18-20
第2章 直腿双足被动行走器动力学测试系统的实现  20-39
  2.1 基于计算机的自动化测量测试系统简介  20-21
  2.2 直腿双足被动行走器待测参数与测量方案  21-30
    2.2.1 直腿双足被动行走器解析模型与物理样机  21-23
    2.2.2 直腿双足被动行走器待测参数  23
    2.2.3 待测参数测量方案的设计  23-25
    2.2.4 测量方案的仪器选型  25-30
  2.3 基于虚拟仪器的测量环境的建立  30-33
    2.3.1 虚拟仪器软件简介  30
    2.3.2 虚拟测量环境中采样任务的建立  30-33
  2.4 直腿双足被动行走器测量通道的建立  33-36
  2.5 测量通道数据的获取、处理与纪录  36-38
  2.6 本章小结  38-39
第3章 直腿双足被动行走器测试实验方案与结果  39-47
  3.1 系统验证与参数标定  39-43
    3.1.1 NI USB-6212 采集卡的验证  39
    3.1.2 对部分传感器进行的验证  39-42
    3.1.3 行走器自身参数的确定  42-43
  3.2 实验方案与结果分析  43-47
第4章 测试实验数据与仿真结果的对照与分析  47-57
  4.1 引言  47
  4.2 虚拟样机技术与多体动力学仿真软件简介  47-49
  4.3 多体动力学仿真环境的建立与仿真过程  49-53
  4.4 实验数据与仿真结果对照与分析  53-57
第5章 带膝关节构型双足被动行走器样机的方案设计  57-68
  5.1 引言  57
  5.2 带膝关节双足被动行走器样机的总体设计  57-59
  5.3 带膝关节双足被动行走器样机的动力学仿真  59-64
  5.4 带膝关节双足被动行走器样机的结构设计  64-68
    5.4.1 髋关节轴系设计  64-65
    5.4.2 膝关节轴系设计  65-66
    5.4.3 行走器样机测点布置  66-68
第6章 结论与展望  68-70
  6.1 全文总结  68-69
  6.2 主要创新点  69
  6.3 不足与展望  69-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
附录 A NI USB-6212 设备端子  74-75
附录 B 测试程序后面板框图  75-76
附录 C 直腿被动行走器装配图  76-77
附录 D 带膝关节行走器装配图  77-78
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  78

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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