拟人机器人运动设计及制作 - 图文(4)

东北电力大学本科毕业论文 机器人运动学的研究与空间机构学密切相关。目前研究方法有很多，有以画法几何为基础的图解法，有运用矢量分析、矩阵、二元数等数学工具的解析法。图解法发展较早，这种方法虽然简洁直观，但仅限于平面机构及某些简单的空间机构问题。

双足步行机器人的运动学建模即是求解摆动脚的运动状态与各关节运动状态的数学关系。运动学建模包含正运动建模与逆运动学建模两个方面。正运动学是给定双足步行机器人各个杆件的参数和关节的运动情况，求解摆动脚相对于参考坐标系的位姿;逆运动学问题则是通过步态规划得到机器人摆动脚与上体相对于参考坐标系的位姿，求解双足步行机器人的各个关节的运动情况。即是说，运动学正问题是在给定各关节的位置、速度、加速度，求各杆件特别是末端执行器的位姿，速度、加速度和角加速度等问题;运动学逆问题是在给定末端执行器的位姿、速度、加速度等，求解能实现这些要求的各关节变量的位置、速度与加速度。

机器人逆运动学问题的解和正运动学的解不同，正解是唯一的，而逆解可能是多重的，也可能不存在。

只要满足以下两个条件之一(PiePer准则): 1、三个相邻关节轴交于一点: 2、三个相邻关节轴相互平行。

逆运动学问题就具有封闭形式解，显然双足步行机器人满足这个准则。对于正运动学，可以推导出一组与机器人特定构型有关的方程，以使得将己知关节变量和连杆参数带入这些方程就能计算出机器人的位姿，然后可以用这些方程推导出机器人逆运动学方程。正逆运动学问题的关系如下图所示:

图2-4 正逆运动学问题的关系

- 10 -

- 11 - 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型 2.2.6动力学模型 机器人动力学是机器人机构和控制系统的设计基础，为了获得较理想的步

态规划，决其步行控制问题，保证机器人的稳定行走，就必须对其动力学问题进行深入的了解和研究。机器人起立运动和侧向运动时候，为了计算机器人运动过程中各关节所受的力和力矩、分析步行的动力学稳定性和控制规律，必须建立其动力学模型，给出便于进行运动规划和实施控制问题研究的数学描述。

动力学方程决定着机器人的运动规律，可以确立机器人各个杆件的力、质量和加速度与力矩、惯量和角加速度之间的关系。机器人动力学有两个相反的问题:其一是动力学的运动分析问题，即已知作用在机器人各关节的驱动力矩，求解各关节坐标的移动轨迹，称为动力学正问题。动力学正问题可以用于对规划出的步态轨迹进行动态仿真，研究步态的步行特性;其二是动力学的力分析问题，即已知与机器人运动有关的各关节坐标的轨迹，求解各关节所需要的驱动力或力矩，驱动机器人连杆和关节以期望的速度和加速度运动，保证机器人的位置精度，称为动力学逆问题。逆运动学问题有利于为拟人机器人的机构设计和驱动装置的优化打下基础，并能够在控制中用来进行非线性补偿，将机器人的非线性运动方程线性化。

多自由度机械机构的建模方法很多，如 :Newton一Euler方法，还有腾森伯格方法，Katoh.A等人提出将两足机器人的动态方程看成关节杆件加速度的动态方程形式[16];Tzafestas和J.Furusho等人利用势能和动能公式来直接计算lagrange方程中的矩阵和矢量[17，18];Fujimoto等人采用递归形式的Newton-Euler动力学方程来获得双足机器人动力学问题迭代形式的解[19，20];陈敏华则应用 6 X 6螺旋变换矩阵，直接从速度、力等旋量入手，结合Lagrange方程给出了一种关于机器人动力学模型的新方法[21]。

2.3 本章小结

1、本章介绍了本论文所用的实体双足步行机器人的特点。

2、简要给出了进行双足步行机器人建模所必需的理论。

3、在杆件坐标系下，基于齐次坐标变换对双足步行机器人进行了正逆运动学的建模，为后续的步态规划奠定了基础。

4、介绍拉格朗日动力学方程变于对后期不同运动的简化的机器人模型分别进行了动力学分析，得到了便于控制的动力学模型。

- 11 -

东北电力大学本科毕业论文 第3章 Pro/e 简介及拟人机器人的零件制造及装配

3.1 Pro/e 系统软件介绍

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

3.2 Pro/e产品主要特性

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

1．参数化设计

相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

2．基于特征建模

Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

3． 单一数据库（全相关）

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一

- 12 -

第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配 优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

3.3 Pro/e的工作平台简介

3.3.1Pro/e界面介绍

标题栏 下拉菜单栏 提示区 工具栏 绘图区 导航区 过滤区 图

3-1 Pro/e 工作界面

3.3.2 标题栏

当前文件标题栏位于窗口的最上方，功能与标准Windows软件的标题栏类似。

- 13 -

东北电力大学本科毕业论文

3.3.3下拉菜单栏

下拉菜单栏包括了Pro/ENGINEER 野火版3.0的重要命令，很多时候都需要使用它。在不同的模块中，下拉菜单也会有所不同。

1“文件”菜单

“文件”菜单是pro/e中文件和对象的操作界面。其中包含打开以及打印和输出对象的选项。

2“编辑”菜单

“编辑”菜单提供了更改几何元素的选项。在零件模块中，包含了用于执行特征操作和修改的命令，诸如编辑定义、编辑 …… 此处隐藏：2022字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……