仿人机器人混联三自由度躯干设计

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1、仿人机器人混联三自由度躯干设计黄湖林2016年1月中图分类号：TP242.6UDC分类号：621仿人机器人混联三自由度躯干设计作者姓名黄湖林学院名称机电学院指导教师张伟民副教授答辩委员会主席宋萍教授申请学位级别工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月A3-DOFSeries-parallelStructureTorsoDesigninHumanoidRobotsCandidateName:HulinHuangSchoolorDepartment:MechatronicalEngineeringFacultyMentor:We

2、iminZhangChair,ThesisCommittee:Prof.PingSongDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育

3、机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要仿人机器人能够使用人类的工具，容易适应人类的生活和工作环境，具有广泛的应用前景。推动仿人机器人在灾难救援、危险工作、公共服务等方面的应用，需要提高仿人机器人对复杂环境的适应性。仿人机器人需要具备多模态运动及转换能力，完成多种作业任务的能力，以及应对意外情况下的摔倒。而仿人机器人躯干在这几方面都具有重要的作用。本文主要开展仿人机器人躯干的研究，通过合理的机构设计，满足躯干设计的多项性能要求；通过抗冲击保护结构设计，

4、提高机器人应对摔倒等外部冲击的能力，保障机器人的安全。本文首先调研了国内外仿人机器人及躯干的研究现状，并对人体躯干的结构及运动机理进行研究，分析了仿人机器人的简易模型及躯干的设计要求，为仿人机器人的躯干设计奠定基础。其次，提出了三自由度混联机构的躯干设计，由单自由度的串联机构和二自由度的并联差分机构组成。对设计的机构进行了运动学分析。对躯干的结构尺寸参数进行了优化设计，建立了优化数学模型，选择遗传算法进行优化，使用Matlab遗传算法工具箱完成优化计算，优化结果达到设计目标要求。接着对躯干的工作空间进行分析，并对优化结果的工作空间进行求解。再次，对仿人机器人

5、躯干进行了结构设计，完成了胸腔及髋腰的机械结构设计、机电一体化关节设计、直线驱动机构设计、外部缓冲保护结构设计、电气系统保护结构设计，并对设计的髋腰部缓冲保护结构进行有限元分析。最后，基于ADAMS动力学软件进行了躯干的动力学仿真，先分析了改进型的梯形加速度曲线的运动轨迹规划方法，接着对仿人机器人躯干进行俯仰和滚转的运动仿真，验证了躯干机构设计的可行性；通过躯干自由落体运动进行抗冲击仿真，验证了躯干结构的抗冲击性。关键词：仿人机器人；躯干设计；混联机构；抗冲击保护；IAbstractHumanoidrobotshavebeendevelopedfordeca

6、des.Stabledynamicwalkinganddual-armdexterousmanipulationhavebeenextensivelyresearched.Thus,theupperandlowerlimbsofhumanoidrobotshavebeenfull-blown,usuallybedesignedwith6or7DOFs.Comparatively,thetorsohasbeenaneglectedorsimplifieddesignpart.However,thetorsoofhumanoidrobotsisimportant

7、inmanyaspects,suchasmultimodemotionandtransformation.Toprotecthumanoidrobotsfromdamagewhenaccidentoccurs,itisimportanttodesignrobotwithprotectionstrategy.Sothetorsoshouldhaveanti-shockstructuretoimprovethesafetyofhumanoidrobots.Thispaperfocusontheresearchoftorsosofhumanoidrobot.The

8、mainresearchissuesandresul