仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

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1、機(jī)器人現(xiàn)代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2012年第lo期仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)+宮赤坤，張智斌(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)摘要：通過對人的行走方式進(jìn)行觀察模擬設(shè)計(jì)J，仿人雙足機(jī)器人，運(yùn)用D—H方法分析其機(jī)構(gòu)組成，為其設(shè)計(jì)了具有周期循環(huán)性的步態(tài)，并把三維實(shí)體模型導(dǎo)人到運(yùn)動(dòng)分析軟件ADAMS中，添加約束驅(qū)動(dòng)等，最后進(jìn)行驗(yàn)證。將仿真結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)物理樣機(jī)上，使物理樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)人的行走動(dòng)作。關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；約束；ADAMS軟件；步態(tài)規(guī)劃；

2、零力矩點(diǎn)中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-3133(2012)lo—0023珈5一，D墼蜘andimplementationofthebionicbipedalrobotGongChikun，ZhangZhibin(SchoolofMechanicalEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China)Abstract：Bystudyingofhumanbeing’Swalk

3、ingstyle．bipedalrobotisdesigned．D—Hmethodisusedtoanalyzeitsmechanicalstructureandperiodicwalkingstyleisdesigned．Theseareallvalidatedbyits3DentitymodelwithconstraintsandmotionsinADAMS．PhysicalprototypeCallwalkinthestylelikehumanbeing’Swalkingstylebyusi

4、ngsimulationresult．Keywords：bipedalrobot；constraints；ADAMS；gaitprogramming；ZeroMomentPoint(ZMP)0引言1仿人雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近年來，對雙足機(jī)器人的研究已經(jīng)引起世界各國機(jī)器人專家的重視¨J。由于雙足機(jī)器人本身是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，所以在實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走這一關(guān)鍵問題時(shí)，仍有許多難題有待攻克。要想實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走，必須對機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，步態(tài)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析，步態(tài)設(shè)計(jì)作為其中的一個(gè)重

5、要環(huán)節(jié)，在雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行中起著關(guān)鍵作用口引。由于雙足機(jī)器人的自由度多且在動(dòng)態(tài)行走時(shí)各自由度之間的關(guān)系協(xié)調(diào)比較困難，導(dǎo)致雙足機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，缺乏一個(gè)對雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走時(shí)各種步態(tài)穩(wěn)定性影響的定量指標(biāo)¨。。本文通過觀察分析現(xiàn)實(shí)中人腿的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人的模型，每條腿具有5個(gè)自由度來模仿人的行走步態(tài)，并且在ADAMS軟件中對設(shè)計(jì)的步態(tài)進(jìn)行虛擬仿真，驗(yàn)證步態(tài)軌跡規(guī)劃的可行性；根據(jù)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定現(xiàn)實(shí)中物理樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿人雙足機(jī)器人的步行。+．卜海市教育委員會重點(diǎn)學(xué)

6、科建設(shè)資助項(xiàng)目(J50503)根據(jù)對雙足動(dòng)物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式的研究，按照相似的原則設(shè)計(jì)了一種雙足機(jī)器人，其三維實(shí)體模型如圖1所示。電圖1雙足機(jī)器人三維實(shí)體模型該雙足機(jī)器人采用雙足對稱式分布結(jié)構(gòu)，每條腿腿根部位的平面與前進(jìn)方向所在的平面相垂直，每條腿有5個(gè)自由度。其中電動(dòng)機(jī)l主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)移重心且與機(jī)器人的軀干相固結(jié)，使得腿可以在垂直于前進(jìn)方向的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，為機(jī)器人轉(zhuǎn)移重心提供基本動(dòng)力；電動(dòng)機(jī)2負(fù)責(zé)整體腿的提升與放下，即整條腿的俯仰232012年第10期現(xiàn)代制造工程(ModernManufacturing

7、Engineering)動(dòng)作；電動(dòng)機(jī)3負(fù)責(zé)小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)腳板在空問內(nèi)做向前伸展與收縮即人腿的膝蓋動(dòng)作；電動(dòng)機(jī)4模仿人的踝關(guān)節(jié)的俯仰動(dòng)作；電動(dòng)機(jī)5模仿人的踝關(guān)節(jié)的橫滾動(dòng)作，配合電動(dòng)機(jī)1進(jìn)行重心的轉(zhuǎn)移。電動(dòng)機(jī)1與電動(dòng)機(jī)2之間、電動(dòng)機(jī)4和電動(dòng)機(jī)5之間的轉(zhuǎn)動(dòng)軸正好相垂直，所以通過兩個(gè)相垂直的u型塊進(jìn)行連接。大腿和小腿的板式結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的范圍，同時(shí)也在一定程度上提高了機(jī)器人前進(jìn)的速度。2仿人雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿生四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的主要目的是要建立機(jī)器人各個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與末端執(zhí)行器空問位置之問的關(guān)

8、系，進(jìn)而建立各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型∞J。因機(jī)器人的布局呈前后左右對稱形式，以機(jī)器人右前腿為例一進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，每條腿有5個(gè)自由度，分別由5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，從髖部到腳掌的運(yùn)動(dòng)傳遞可以看作是一開環(huán)系統(tǒng)。圖2所示為雙足機(jī)器人腿部的D—H坐標(biāo)系，各坐標(biāo)系的原點(diǎn)0，為關(guān)節(jié)i的軸線和相鄰關(guān)節(jié)問公垂線口。的交點(diǎn)，x。軸和公垂線o。重合，z。軸和關(guān)節(jié)i的軸線重合，而■可以用右手螺旋法則來確定。zo姆t圖2雙足機(jī)器人腿部D—H坐標(biāo)示意圖圖2中坐標(biāo)系{1}是為了規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而增加的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系{7}