弹吉他机器人步行动力学建模与分析

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1、弹吉他机器人步行动力学建模与分析弹吉他机器人步行动力学建模与分析王俊光，廖启征，郭磊**（北京邮电大学自动化学院，北京100876）510152025303540摘要：弹吉他机器人是仿人机器人的一种，基于ZMP（Zero-MomentPoint）的步态规划是解决仿人机器人行走的关键技术之一，而机器人的动力学建模是其类人行走控制算法的基础。本文采用D-H法建立了机器人运动学模型，经过简化并采用拉格朗日方法（Lagrangeformulation）对机器人系统进行了动力学建模，并在Adams中对该机器人系统进行了动力学仿真。最后将各关节角度、角速度及角加速度的仿真结果带入动力学模型中求

2、解出左踝关节的驱动力矩，经过与机器人左踝关节的驱动力矩仿真结果相对比验证了动力学模型的准确性。关键词：弹吉他机器人；行走；D-H法；拉格朗日方法；动力学建模；Adams仿真中图分类号：TP242.3DynamicModelingandAnalyzingofaWalkingGuitarRobotWangJunguang,LiaoQizheng,GuoLeiSchoolofAutomation,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876Abstract:Inthispaper,akindofhumanoidrobo

3、t,GuitarRobot,isintroduced.GaitplanningbasedonZMPisoneofkeytechnologiestohumanoidwalking,andthebaseofcontrolalgorithmisthedynamicmodel.ThekinematicmodeloftherobotbasedonD-Hmethodispresentedinthisthesis,andthenbuildsthedynamicmodelbasedonLagrangeformulationbysimplifyingthekinematicmodelofrobotbod

4、y.AkinematicsimulationtotheroboticsystemismadebasedonAdams.Jointdrivingtorqueofleftankleisdeterminedaccordingtojointangle,angularvelocityandangularacceleration.Thecalculatingvaluetestifiedtheprecisionofthedynamicmodelbycomparingwiththeresultofsimulation.Keywords:GuitarRobot;Walking;D-HMethod;Lag

5、rangeTheory;DynamicModeling;AdamsSimulation0引言世界各国对仿人机器人的研究都取得了一定的成果，其中最为著名的是日本Honda的ASIMO[1]，他腿部布置6个自由度，关节采用伺服电机加谐波减速器的方式驱动。我国的具有代表性的双足步行机器人当属北京理工大学研制的“汇童”，其腿部配置7个自由度[2]，关节采用电机加双蜗杆的方式驱动。由于仿人机器人本身具有高阶、非线性、非完整约束、强耦合的多自由度等特点，在实现机器人动态稳定行走的问题上，仍有许多问题需要克服。要实现机器人的稳定行走，需要对其进行动力学建模、步态规划及稳定性分析[4-7]。动力学建模

6、与分析作为步态规划的基础，其模型的准确与否对步态数据生成产生重大影响，甚至成为能否实现稳定行走的关键。本文基于拉格朗日方法推导出弹吉他机器人动力学模型并进行了分析，最后通过Adams运动仿真[8]验证了结果的准确性。1运动学模型1.1坐标系的建立图1为弹吉他机器人的虚拟样机，系统主要有头部、躯干、臂部、腰部、腿部等构成，作者简介：王俊光，（1983-），男，硕士研究生，机器人技术。通信联系人：廖启征，（1947-），男，教授，机器人学。E-mail:qzliao@-1-其中腿部关节和肩部抬升关节均为齿轮加蜗轮蜗杆的传动方式，腰部左右转动为丝杆传动方式，其余关节为同步齿形带传动方式，驱

7、动源均为有刷直流电动机。腿部动力电源置于小腿4550部分，上身动力电源置于身体内部，控制器及其电源也均置于身体内部。身体各部分尺度比例及参照人体相关参数配置。样机每条腿有4个自由度，腰部2个自由度，臂部4个自由度及头部2个自由度。参考机器人机构理论中常用的Denavit-Hartenberg运动学[3]表示方法，坐标系定义规则为：①旋转关节的运动轴线与zi轴重合；xi轴与zi轴和zi?1轴的公垂线相重合；yi轴按照右手法则yizixi确定，坐