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1、·電氣與自動(dòng)化·烏海東，等·雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真烏海東，孔慶忠(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)摘要：完成雙足步行機(jī)器人腿部尺寸的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過(guò)運(yùn)動(dòng)模型分析機(jī)器人腿部完成部分腰部轉(zhuǎn)動(dòng)功能的情況，運(yùn)用MATLAB完成運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算并生成數(shù)據(jù)。運(yùn)用Pro／E完成機(jī)器人腿部模型的建立，并完成仿真。研究結(jié)果為后續(xù)研究雙足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和機(jī)器人控制打下必要的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：MATLAB；雙足機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；Pro／E；GUI中圖分類(lèi)號(hào)：TP242；TP391．9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276(2014)01-01
2、71-03BipedRobetKinematicsAnalysisandSimulationWUHai—dong，KONGQing—zhong(CollegeofMechanicalEngineering，innerMongoliaUniversityofTechnology，Huhehaote010051，China)Abstract：Thispapercompletesthedesignandkinematicsanalysisofbipedrobot’sleg，usesthemovementmodelstoanalyzeitsrotationfunction．a(chǎn)nduses
3、MATLABsoftwaretocompletekinematicscalculationandgeneratedataandusesPro／Esoftwaretoes—tablishthemodelofrobotandcompletethesimulation．Theselaythenecessaryfoundationsforthestudyofrobotdynamicsandcon-tro1．Keywords：MATLAB；bipedrobot；kinematicanalysis；Pro／E；GUI表2機(jī)器人各主要設(shè)計(jì)尺寸1機(jī)器人總體設(shè)計(jì)機(jī)器人的上體用一個(gè)質(zhì)量塊代替。為了增
4、強(qiáng)研究?jī)?nèi)容的通用性，選擇主流機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)配置：?jiǎn)瓮攘杂啥冉Y(jié)構(gòu)。為保證穩(wěn)定行走，需要在髖、膝、踝配備合理的自由度。自由度分配如表1所示。表1自由度分配表此處腳長(zhǎng)數(shù)據(jù)為實(shí)際測(cè)量值；取值時(shí)為了能完成穩(wěn)定步行故取值較大。2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人腿部各個(gè)桿件長(zhǎng)度仿照人體的實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)。從仿生學(xué)的角度，人體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生物進(jìn)化各個(gè)部分的長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)了很好的優(yōu)化，因而仿照人體實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)機(jī)器2．1正運(yùn)動(dòng)學(xué)人也能達(dá)到自然優(yōu)化的效果。選擇《中國(guó)成年人人體尺選擇空間直角坐標(biāo)系定義機(jī)器人各個(gè)桿件的位置。寸》中按照男性人體第50百分位數(shù)的人體數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)全局參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)：機(jī)器人豎直站立時(shí)機(jī)器人髖部連依據(jù)
5、，并以身高作為計(jì)算基準(zhǔn)，來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人腿部基本線(xiàn)中點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)。尺寸?。通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣與角速度矢量之間的關(guān)系推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)例如參考數(shù)據(jù)：身高：1678mm；大腿長(zhǎng)度：465mm，大矩陣的矩陣指數(shù)形式j(luò)：腿長(zhǎng)度比例為：465+1678H=0．277H。其余計(jì)算結(jié)果如表JR=E+i妒+z(1-cosqO2所示。其中，為轉(zhuǎn)動(dòng)軸單位矢量；妒為轉(zhuǎn)動(dòng)角度。^為特殊的作者簡(jiǎn)介：烏海東(1986一)，男，滿(mǎn)族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向是機(jī)器人。MachineBuilding8Automation，F(xiàn)eb2014，43(J)：171～173，186·17l··電氣與自動(dòng)化·烏海東，等
6、·雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真、=[。。】TNTl。T22T3-．．N-IT～圖l正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)GUI2．2逆運(yùn)動(dòng)學(xué)3機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析與仿真理想運(yùn)動(dòng)步行模型：在機(jī)器人模擬行走過(guò)程中，暫不考慮動(dòng)力學(xué)，上體中心軸方向投影始終在兩腳之間；雙腳腳底始終保持與地面平行，并且離地高度為0。仿真時(shí)間共80S，前后20S為下蹲和直立階段，中間每10S為一個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)：1、右腳邁出2、左腳跟上，兩腳并攏3、左腳邁出4、右腳跟上，兩腳并攏。3．1上體豎直向前直線(xiàn)行走本節(jié)計(jì)算上體高度與行走步長(zhǎng)之間的關(guān)系，并測(cè)定各[sCz2cC：4-：$2：S3sS4-c$：2：C，3sC：2S4+$283cC4]-=個(gè)關(guān)
7、節(jié)角度范圍，其運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)主要運(yùn)用了X-Z平面中的6個(gè)自由度完成行走。根據(jù)幾何關(guān)系可知，行走過(guò)程中雙腿處于伸直狀態(tài)時(shí)為理淪極限位置，如圖2所示LZl—4d5入^。I體’鞋^“．1{】Jl常竹止．，：打止飯{圖2上體直立行走原理圖2．3正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)GUI在一定高度時(shí)，雙腳步行步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，雙腿長(zhǎng)度就無(wú)法滿(mǎn)足要求，也就是當(dāng)一只腿的大腿小腿成一條直線(xiàn)時(shí)到達(dá)理論極限位置，這時(shí)的位置關(guān)系和桿件構(gòu)成了直角j：角形便于計(jì)算。其中日為BODY桿件對(duì)地高度，，J為步長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)有關(guān)系式：日=萬(wàn)之后對(duì)對(duì)應(yīng)狀態(tài)進(jìn)
