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四足机器人的虚拟样机仿真研究

作　者: 周立炜
导　师: 蔡芸
学　校: 武汉科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 四足机器人 虚拟样机 优化设计 有限元分析
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 65次
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内容摘要


随着人类科技的进步，机器人扮演着越来越重要的作用。机器人能代替人类从事艰苦的环境作业，比如矿井勘探，核电维修，深水探测，无人侦察等.世界上有将近40%的地形不适合轮式车辆的使用，传统轮式机器人轮子的接近角和离去角大大地制约了其机动性，所以在运动灵活性方面，足式步行机器人却有着明显的结构优势，可以在及其复杂的地形运作，有着广阔的的发展前景，所以对四足机器人的研究逐步成为其机器人研究中的热点方向。国内现有的仿生机器人的研究主要是考虑在室内单一的环境下的仿生四足机器人作为研究对象，重点主要在机器人的运动形式和控制方法，很少考虑机器人在室外恶劣的环境下的运作。本文以马的骨骼为原型，建立了一个四足机器人模型，以质量最轻为优化目标，将虚拟样机技术和有限元分析相结合，进行四足机器人运动学分析和结构设计的仿真研究。通过仿真实验，改变模型的结构参数，获得不同的设计方案，进行机构的运动学分析，从而实现设计的方案优化。通过有限元分析软件，对其进行受力分析，分析其尺寸的可变参数及可行性，确定了机身框架的优化设计变量，通过优化机体结构尺寸，达到了减轻机身质量和提高灵活性的目的。论文的主要内容包括：(1)简要介绍了四足机器人在国内外的发展现状和趋势，提出课题研究的现实意义。(2)通过对马的骨骼结构和步态分析，然后进行机构选型，最终确定机器人的结构设计方案。(3)对机器人进行运动学分析和动力学分析，将为机器人的驱动电机提供理论参考。(4)使用solidworks软件对四足机器人进行三维实体建模，然后运用软件集成的ADMAS/View进行仿真分析，实现了四足机器人在ADMAS/View环境下对角小跑步态下的仿真。仿真实验表明机器人能够平稳的实现对角小跑步态，也验证了四足机器人虚拟样机的合理性。(5)运用有限元分析软件对四足机器人的机身框架进行受力分析，以验证机体框架结构的可靠性，然后以质量最轻为目标函数对机体进行结构优化，使其达到减轻质量节省制造成本的目的。(6)提出研究的局限性和对未来四足机器人的发展展望。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-17
  1.1 课题的研究背景  8
  1.2 课题的目的和意义  8-9
  1.3 四足机器人国外研究现状  9-11
  1.4 四足机器人国内研究现状  11-12
  1.5 四足机器人研究的关键技术  12-14
    1.5.1 运动稳定性研究和步态规划  12-13
    1.5.2 机器人立体视觉系统  13-14
    1.5.3 机器人的驱动系统  14
  1.6 四足机器人机构研究的主要难点问题  14-15
  1.7 虚拟样机技术的运用  15
  1.8 本文主要研究内容  15-17
第二章 仿生四足机器人机构设计  17-23
  2.1 马的运动机理仿生分析  17-18
    2.1.1 马的骨骼分析  17-18
    2.1.2 马的单腿骨骼分析  18
  2.2 生物马的步态分析  18-19
  2.3 机器人步行的步态设计  19-20
  2.4 四足机器人机构选型  20-21
    2.4.1 四足机器人的主要结构布置形式  20-21
    2.4.2 四足机器人的腿部设计  21
  2.5 四足机器人自由度计算  21-22
  2.6 本章小结  22-23
第三章 四足机器人的运动学分析  23-31
  3.1 机器人正运动的 D-H 表示法  23-27
  3.2 四足机器人的逆运动学  27-28
  3.3 关节的微分运动和速度  28-30
    3.3.1 雅克比矩阵  28-29
    3.3.2 雅克比矩阵求逆  29-30
  3.4 本章小结  30-31
第四章 四足机器人动力学分析  31-37
  4.1 机器人动力学分析基础  31
  4.2 四足机器人腿部动力学分析  31-35
  4.3 四足机器人的关节受力分析及扭矩估算  35-36
  4.4 本章小结  36-37
第五章 四足机器人的虚拟样机模型及其仿真分析  37-51
  5.1 四足机器人的虚拟样机 3D 模型  38
  5.2 四足机器人的虚拟样机模型的参数设置  38-42
    5.2.1 简化模型和添加材质属性  38-39
    5.2.2 添加约束和驱动函数  39-42
  5.3 四足机器人的运动学仿真分析  42-45
  5.4 四足机器人足端的运动仿真  45-46
  5.5 四足机器人的动力学仿真分析  46-48
  5.6 仿真实验结果的验证  48-49
  5.7 本章小结  49-51
第六章 四足机器人机身有限元分析与优化  51-64
  6.1 四足机器人机身优化问题描述  51-52
  6.2 仿真优化初始解的获取  52-59
  6.3 仿真优化求解过程  59-61
  6.4 仿真优化结果分析  61-62
  6.5 本章小结  62-64
第七章 总结与展望  64-66
  7.1 课题总结  64
  7.2 研究展望  64-66
参考文献  66-70
攻读硕士期间发表论文  70-71
中文详细摘要  71-73
英文详细摘要  73-74

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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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