人形机器人下肢机构设计及实验研究

论文摘要

人形机器人一直是机器人研究领域的热点,人形机器人研究的难点是如何使机器人“两条腿”近似地模拟人类行走。现有的国内外的人形机器人大部分都是基于串联机构。本论文中以人体结构为原型,从功能仿生的角度出发,研究一种新的人形机器人构型。本论文通过对人体下肢各关节的研究,在人形机器人构型的髋关节转弯运动中引入“桥”式串联机构,在多自由度踝和髋关节处引入“筋”式驱动并联机构,并采用等效机构替代关节及组合方法,构建人形机器人的整体结构,得到肢体混联(串、并联共存)机构构型。通过对人形机器人运动步态的分析研究,对腿部机构建立了运动学模型,同时进行正向运动学的计算,规划出行走方式,求解出重心的运动轨迹曲线,获得了人形机器人在运动过程中的重心运动轨迹。本论文在Pro/E下建立了人形机器人的三维模型,对人形机器人进行了运动仿真,并绘制出了人形机器人的重心运动轨迹和运动步态。验证步态规划方法的可行性。对物理样机进行实验,实现物理样机的稳定行走,验证理论研究的正确性和有效性。试验证明,设计的新型人形机器人肢体更加拟人化,运动更灵活、平滑连续;使机器人承载力大、运动稳定性高。为人形机器人设计提供理论依据和新型的结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外人形机器人的研究发展现状
• 1.3.1 国外人形机器人研究现状
• 1.3.2 国内人形机器人研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 人体关节特征及步态规划研究
• 2.1 引言
• 2.2 人体的比例结构
• 2.3 人体关节特征的分析
• 2.3.1 下肢关节结构
• 2.3.2 关节的运动特点
• 2.3.3 人体关节的运动范围及其结构特点
• 2.4 人形机器人行走步态规划的几种常用方法
• 2.4.1 基于实验的研究方法（HMCD研究方法）
• 2.4.2 基于重心稳定性（COG）的规划方法
• 2.4.3 基于力学稳定性的规划方法—零力矩点（ZMP）规划
• 2.5 人形机器人两步步态规划法
• 2.6 本章小结
• 第3章 人形机器人结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 人形机器人的自由度分析
• 3.3 人形机器人自由度配置
• 3.4 人形机器人混联机构设计
• 3.4.1 踝关节空间两自由度筋动力设计
• 3.4.2 髋关节的转向桥式连接结构设计
• 3.4.3 足部关节和膝关节设计
• 3.5 驱动部件的选型
• 3.5.1 电机及齿轮减速器的选择
• 3.5.2 电机的安装
• 3.6 传感器的配置
• 3.7 人形机器人的总体设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 人形机器人步态运动学分析
• 4.1 引言
• 4.2 运动学方程
• 4.3 人形机器人腿部运动学模型
• 4.3.1 正运动学方程
• 4.3.2 人形机器人重心轨迹运动学方程
• 4.4 人形机器人筋关节的运动学
• 4.4.1 筋关节的数学建模
• 4.4.2 筋关节位置逆解
• 4.5 本章小结
• 第5章 人形机器人建模仿真及实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 人形机器人三维建模
• 5.2.1 建模软件概述
• 5.2.2 人形机器人的装配连接
• 5.3 人形机器人的运动仿真
• 5.4 人形机器人仿真结果分析
• 5.5 人形机器人物理样机实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢