类人机器人行走机构虚拟样机的研究

【摘要】类人机器人已经成为机器人领域的研究热点,双足行走方式灵活性非常高,可以在人类日常生活工作的环境中与人类协作完成各种任务,并且在人类不能进入的作业领域内具有广阔的应用前景。目前,国内外很多家科研单位都开展了类人机器人的研究,并取得了很大的进展,极大的推动了类人机器人的发展。然而类人机器人的快速、稳定行走,机构的创新设计仍然是一个世界难题。本文建立了类人机器人虚拟样机模型,对机器人运动学和动力学进行了分析,并对机器人在虚拟环境下的运动进行了仿真分析,研制了机器人物理样机,进行了机器人平地行走实验,主要工作如下：首先,总结了国内外类人机器人研究现状,分析了典型类人机器人的自由度分布,对目前类人机器人研究中存在的问题做了分析,提出类人机器人未来的发展方向。根据人体腿部各关节的结构,对类人机器人行走机构进行了仿生设计,并对类人机器人行走机构各关节驱动力矩进行了计算,对各关节驱动元器件进行了选型,主要包括电机、谐波减速器和同步带轮的选型。其次,采用SIMP材料差值方法,以结构受力应变能最小为优化目标,体积和结构平衡方程为约束条件,建立了机器人腿部连杆结构拓扑优化数学模型。在ANSYS优化模块中,对机器人连杆结构进行优化,优化结果表明,优化后的机器人连杆结构在满足结构刚度和强度的条件下实现了质量最小化。再次,介绍了刚体位姿的描述和齐次变换法,建立了类人机器人行走机构的正、逆运动学模型,运用D-H方法和矢量法推导出正、逆运动学方程。对类人机器人行走机构进行了动力学分析,分别求出机器人腿在支撑状态和摆动状态下的踝关节、膝关节和髋关节的驱动力矩。最后,基于ADAMS和MATLAB,分别建立了的类人机器人机械模型和控制模型,实现了类人机器人的机电联合仿真分析,验证了设计方案的合理性,并得到了机器人在行走过程中腿部各个关节的力矩变化曲线,为选择电机、减速器等部件提供了依据。搭建了机器人测试与实验平台,进行了机器人平地行走实验,实验结果验证了设计的类人机器人结构及控制方法的可行性及正确性。
【作者】陈兵；
【导师】骆敏舟；
【作者基本信息】中国科学技术大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】类人机器人；人体结构；运动学分析；拓扑优化；联合仿真；

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