基于Pro/E和ADAMS的人形机器人三维造型及运动仿真研究

论文摘要

人形机器人具有与人类最为相仿的运动方式,对复杂环境具有良好的适应性。越来越多的研究围绕着人形机器人的步态规划开展,目的在于使其可以代替人类从事危险作业及相关工作。本课题进行人形机器人稳定行走技术研究,验证腿部转角插值计算的正确性和合理性。首先根据人形机器人的结构特点,利用Pro/E软件设计并建立人形机器人的实体模型。人形机器人上肢具有6个自由度,下肢具有12个自由度。对人形机器人腿部机构进行简化并建立数学模型。利用Denavit-Hartenberg规则列出人形机器人腿部各个杆件及关节转角变量的矩阵表达式,并对人形机器人腿部进行运动学分析。本课题采用ZMP原理作为人形机器人步行的稳定性判据,推导出机器人稳定步行的约束条件。根据其腿部在步行运动中各个阶段位置和姿态的变化,对机器人腿部位姿矩阵求逆解,得到其各个关节转角的插值。最后在仿真软件ADAMS中导入人形机器人腿部实体运动模型,根据实际条件添加相应的约束和重力。而后借助STEP函数对其个关节赋予已计算出的转角插值,通过仿真实验表明,人形机器人步行运动是稳定和可行的,为人形机器人进一步的步态规划研究提供了支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人概述
• 1.2.1 机器人发展史
• 1.2.2 机器人的定义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 双足机器人步态规划
• 1.5 课题主要研究内容
• 1.6 本论文的章节安排
• 第2章 人形机器人的三维造型
• 2.1 引言
• 2.2 Pro/E 特点
• 2.2.1 Pro/E 功能模块简介
• 2.2.2 Pro/E 的参数化特征造型
• 2.2.3 Pro/E 的系统特征
• 2.3 基于Pro/E 的人形机器人三维造型
• 2.3.1 人形机器人的建模分析
• 2.3.2 三维实体建模的方法
• 2.4 人形机器人的Pro/E 装配
• 2.4.1 Pro/E 装配概述
• 2.4.2 人形机器人的干涉检验
• 2.5 Pro/E 中的仿真运动
• 2.5.1 机器人的腿部简化
• 2.5.2 机器人腿部的运动干涉检验
• 2.6 本章小结
• 第3章 人形机器人数学模型的建立与求解
• 3.1 引言
• 3.2 稳定步行条件
• 3.2.1 稳定性判据
• 3.2.2 零力矩点
• 3.3 人形机器人运动分析
• 3.3.1 人形机器人的数学模型与位姿矩阵
• 3.3.2 人形机器人运动方程的正解
• 3.3.3 双足机器人单腿位置的逆解分析
• 3.4 人形机器人单腿的雅克比矩阵计算
• 3.4.1 雅克比矩阵的定义
• 3.4.2 人形机器人单腿的雅克比矩阵计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ADAMS 的机器人步行运动仿真
• 4.1 引言
• 4.2 虚拟样机技术简介
• 4.3 ADAMS 软件简介
• 4.3.1 ADAMS 的特点
• 4.3.2 ADAMS 软件模块简介
• 4.3.3 虚拟样机仿真分析基本步骤
• 4.4 机器人模型的导入
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 模型的导入与约束的建立
• 4.5 虚拟样机步态仿真
• 4.5.1 关节转角规划控制函数设计
• 4.5.2 人形机器人的步态仿真设计
• 4.5.3 仿真实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 详细摘要