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双足步行机器人运动学分析与仿真

作 者: 乌海东
导 师: 孔庆忠
学 校: 内蒙古工业大学
专 业: 测试计量技术及仪器
关键词: 双足步行机器人 运动学 三维仿真
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 33次
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内容摘要


近年来,双足步行机器人的研究迅速发展,因其跨越多个学科而有很高的学术研究价值;同时因其模仿人类步行方式,较其他种类机器人有更好的灵活性,同时也能更协调的帮助人类完成任务,故也有很高的实用价值。双足步行机器人的研究已经成为机器人研究领域的一个重点。本文主要研究一些双足机器人的基础问题,如自由度选择,运动学推导,数学模型建立,简单运动模式的分析,机器人理想三维模型的建立等,具体内容如下:本文分析和配置了双足机器人的腿部自由度,以通用性的原则设置机器人髋部和踝部自由度的旋转轴分别相交一点,并经过对比的选择了驱动器。通过研究人体实际尺寸,分析并确定机器人腿部杆件的比例尺寸和各关节的运动范围。在空间直角坐标系中确定了机器人坐标系原点并详细推导了机器人运动学,为后续机器人建模和仿真打下良好的理论基础。经过对双足机器人腿部结构合理的分解、数据结构选择和建立,运用MATLAB完成了运动学测试界面的设计,并对理想状态下的行走模式进行分析和实验并分析结果。研究了机器人理想直行状态下,高度与步长之间的关系;腿部为上体提供转动角度后(完成腰部的部分转动功能)完成直行运动的运动模式,为以上运动模式完成了编程和仿真分析。最后在Pro/E中完成理想双足机器人模型的建立,并导入生成的运动模式数据,完成运动学仿真,通过干涉检测对理想模型的进行修改,并生成运动动画,同时证明了运动学分析的正确性,为后续双足机器人动力学问题和运动控制打下良好的基础。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-12
  1.1 课题背景与研究意义  8
  1.2 国内外研究现状  8-10
    1.2.1 国外研究及现状  8-9
    1.2.2 国内研究及现状  9-10
  1.3 双足步行机器人腿部结构  10-11
  1.4 本论文研究的主要内容  11
  1.5 小结  11-12
第二章 双足机器人模型的总体规划  12-20
  2.1 双足机器人腿部自由度  12-13
  2.2 机器人腿部驱动方式  13-15
  2.3 下肢各部位尺寸与运动范围规划  15-19
    2.3.1 人体测量  16-17
    2.3.2 静态人体测量及尺寸确定  17-18
    2.3.3 动态人体测量及运动范围确定  18-19
  2.4 小结  19-20
第三章 机器人学基本理论  20-36
  3.1 坐标变换  20-24
    3.1.1 全局参考坐标系  20-21
    3.1.2 局部坐标系和齐次变换  21-23
    3.1.3 齐次变换的链乘法则  23-24
  3.2 转动特性  24-34
    3.2.1 侧摆、俯仰和转动  24-26
    3.2.2 旋转矩阵的说明  26-27
    3.2.3 旋转矩阵的性质  27-28
    3.2.4 角速度矢量  28-29
    3.2.5 旋转矩阵的微分与角速度矢量  29-31
    3.2.6 矩阵指数  31-34
    3.2.7 矩阵对数  34
  3.3 雅克比矩阵  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章 双足机器人建模  36-62
  4.1 机器人数据结构的建立  36-38
    4.1.1 数据结构的选择  36-38
    4.1.2 数据的遍历  38
  4.2 机器人数学模型的建立  38-42
  4.3 正运动学  42-44
    4.3.1 三维矢量与反对称矩阵  42-43
    4.3.2 矩阵指数计算旋转矩阵  43
    4.3.3 正运动学计算  43-44
  4.4 逆运动学  44-49
    4.4.1 解析法求解逆运动学  45-47
    4.4.2 雅克比矩阵  47
    4.4.3 数值法求解逆运动学  47-49
  4.5 测试程序  49-60
    4.5.1 解析法逆运动学计算验证  49-50
    4.5.2 模拟步行数据计算与参数分析  50-60
  4.6 小结  60-62
第五章 机器人模型仿真  62-72
  5.1 机器人腿部结构三维建模  62-68
    5.1.1 机器人腿部结构零件尺寸设计  62-65
    5.1.2 机器人腿部结构的组装与约束的确定  65-66
    5.1.3 驱动的添加  66-68
  5.2 极限位置仿真与模型修改  68-71
    5.2.1 上体竖直行走  68-70
    5.2.2 上体保持转动角度行走  70-71
  5.3 小结  71-72
总结  72-74
参考文献  74-76
附录 1 人体尺寸  76-78
附录 2 程序清单  78-81
致谢  81-82
个人简介  82

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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