基于ProE和ADAMS的人形机器人三维造型及运动仿真研究(2)

华北电力大学硕士学位论文图 1-1 写字偶人图 1-2阿西莫（3）其它国家研究现状 法国格勒诺布尔自动化实验室的 Rabbit 是世界上第四个可以跑动的双足步行 机器人，Rabbit 拥有较简单的机械结构，它只有一对“脚踝”即一对枢轴，而并没 有实际的足部，这样使得 Rabbit 在向前迈步时，整条腿便绕着枢轴转动，行动中 的冲击震荡性明显降低。 此外，慕尼黑技术大学的 Johnnie[11]身高 1.8m，具有 17 个自由度，其关节的 驱动方式为由直流电机加齿轮传动机构，使得它步行速度可达 2.2km/h，在 2003 年问世之初就成为了当时步行最快，世界上最高的双足步行机器人。1.3.2 国内研究现状与国外相比，我国从 20 世纪 80 年代中期才开始研究拟人机器人。在“七五” 期间，国防科技大学和哈尔滨工业大学等单位分别在此课题投入大量人力物力。 在“863”项目的支持下，国内的机器人研究也有了长足的进步[12]。 （1）北京科技大学机器人 北京科技大学在研究机器人方面取得了巨大的成就，2005 年，北京科技大学 研制了双足步行机器人具有 17 个自由度的，并可在平面上做各种仿人动作。 在 2007 年初，北京科技大学在重庆展出了又一拟人机器人爱因斯坦，它具有 语音对话能力，可以模仿人的各种基本动作，如摇头、眨眼、嘴的张开与闭合、4

华北电力大学硕士学位论文小臂屈伸、腕关节的转动等动作。同年年底，北京科技大学又展出了一个大一号 （如图 1-4 所示），科大一号可以通过传感神经网络感知环境，具有方向感，可在 一定范围内的实现机器人全方位自主运动。除此之外，它还可以进行唱歌跳舞和 背唐诗。 （2）哈尔滨工业大学[13,14] 哈尔滨工业大学是较早研制双足步行机器人的高校， 它开始于 1985 年， 1995 到 年研制成功了 HITⅠ、HITⅡ和 HITⅢ[15]三个型号。 （3）国防科技大学机器人[16] 国防科技大学在 2000 年独立研制出了我国第一台平面拟人机器人 “先行者” 。 “先行者”具有人一样的躯体、颈部、头部、眼睛和四肢，并具备了一定的语言 功能。目前，国防科技大学研制的新型仿人机器人有 36 个自由度，其下肢各个关 节均布置位置传感器，足部装有多维力矩传感器；电源与整个控制系统集成在机 器人主体上，采用一种以 DSP 为核心、CAN 总线为通信标准的新型控制结构进行 控制。图 1-3 Kismet 机器人1-4 科大一号1-5“汇童”机器人（4）北京理工大学机器人[17,18] 我国第一个真正意义上的 BHR-1 拟人机器人在 2002 年 12 月通过了国家 863 项目组的验收。该机器人完全按照亚洲人的标准设计而成。机器人的手、脚可以 完成 360。的旋转，比人更为灵活。它除了可以实现仿人动作外，还可以腾空行走， 并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定性走。在集成系5

华北电力大学硕士学位论文统、步态规划和控制系统等方面实现了重大的突破。目前 BHR-1 机器人已发展到 了第三代“汇童”(见图 1-5），其功能已达到国际先进水平。1.4 双足机器人步态规划步行能力是双足机器人最基本也是最重要的能力，步行包括了直线行走、转 弯、蔽障、越障等等。只有解决了稳定步行，才能实现双足机器人更为复杂的动 作，如跑动。 所以，对双足步行机器人研究的重点和难点之一便是其步行的稳定性。步态 规划是机器人实现稳定步行的基础，步态规划结果的好坏直接影响着机器人行动 的稳定性和可行性[19]。目前对于双足机器人步态规划的方法主要包括以下几种： （1）基于仿生学原理的模仿法。 （2）基于模型的规划方法[20]。 （3）基于约束的规划方法和智能规划方法[21,22]。1.5 课题主要研究内容本课题以韩国BIOLOID公司生产的机器人组装套件为研究对象。组装后的人 形机器人具有红外传感器和声音传感器，以使研究者进行更进一步的控制研究提 供强大基础平台支持。组装后的机器人外形美观大方，结构紧凑合理。在此基础 上，机器人要实现稳定行走，具备最基本的可行性。本课题的主要研究内容有以 下几个部分： （1）机器人本体设计针对韩国BIOLOID公司的组装机器人，对其零部件进行 测量，在三维造型软件Pro/E中进行三维实体造型，并根据仿真需要，优化一些零 部件的外部特征。 （2）在Pro/E中验证关节转角范围是否与人类腿部各关节转角相一致，对有偏 差的部位进行修改，以达适宜。 （3）对完成建模的人形机器人的腿部建立相应的运动学模型，跟据D-H法列出 机器人腿部的位姿矩阵，依据稳定步行条件，列出机器人运动约的束条件，通过6

华北电力大学硕士学位论文求解位姿矩阵的逆解计算出机器人腿部关节转角值。 （4）仿真和实验验证在动力学仿真软件ADAMS中进行，将建立好的机器人的 运动模型导入到ADAMS软件中去， 添加相应的约束及驱动， 输入规划的步态数据， 进行运动学仿真，验证步态关节转角的正确性及运动的可行性。1.6 本论文的章节安排第1章 从机器人的发展史进入课题，阐述了机器人的分类和国际最新定义， 对比国内外研究发展状况，简要介绍本课题的主要研究内容。 第2章 对本课题使用的三维造型软件Pro/E的特点和各个组成模块的功能进行 简要介绍，而后具体阐述人形机器人的三维建模过程、零部件装配方法、干涉检 验和排除方法以及在Pro/E中的仿真运动的实现方式。 第3章 采用D-H法对人形机器人建立数学模型并进行分析， 从而计算出各个关 节转角的插值，最后计算分析机器人腿部的雅克比矩阵。 第4章 对本课题使用的另一力学分析及运动仿真软件ADAMS进行简要说明 和介绍。将简化后的人形机器人的腿部机构导入ADAMS进行仿真分析和数据采 集。进而验证第三章关节转角插值的正确性和合理性。 第5章 结论与展望，对本课题的论文工作加以归纳和总结并提出有待改善之 处以及对应用的展望。7

华北电力大学硕士学位论文第 2 章 人形机器人的三维造型2.1 引言借助计算机平台对人形机器人进行造型和仿真研究，首先就要在三维软件中 生成机器人的三维实体模型。 本文借助 Pro/E 三维造型软件对人形机器人各个零部件进行设计及三维造型， 定义其各个零部件之间的约束，利用 Pro/E 对组装好的机器人进行干涉检验与排 除，已达到后续仿真模型的要求。2.2 Pro/E 特点Pro/Engineer 是我国目前使用范围广泛的三维机械设计软件，由美国参数化技 术公司(Parametrie Teehnology Corporation，简称 PTC)公司推出，其内容涵盖了产 品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态仿真、工程图输 出，到生产加工成产品的全过程，其中还包含了大量电缆及管道布线、模具设计 与分析等实用模块。它还整合了零件设计、零件装配、钣金设计、冲压模设计、 逆向工程、自动测量、结构分析、热力分析、简易模流分析、产品数据库管理、 协同设计等功能其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模 块，应用范围涉及航空航天、家用电器、机械制造、轻工业、医疗为生、电子通 信等诸多领域[23]。同时，Pro/E 在设计之初就将语言完全汉化，使用户在使用时不 用担心语言障碍带来的不便。2.2.1 Pro/E 功能模块简介作为 3D 实体模型的基本造型工具， 其基础功能就是建构零件的 3D 实体模型， 其他的功能均是以此为基础，进而演化而来的多个功能模块[24]。具体体现在以下 几个方面： （1）基础模块，该模块包含了 Pro/E 要完成的基本任务，如用户界面管理、模8

华北电力大学硕士学位论文型管理等。 （2）数据管理模块，该模块将产品数据管理（PDM）操作与所有应用程序和 Pro/INTRALINK 无缝集合在一起。利用集成的 PDM 功能，用户可以在 …… 此处隐藏：3438字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……