仿人双足机器人的设计与实现.pdf

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1、机器人现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2012年第lo期仿人双足机器人的设计与实现+宫赤坤，张智斌(上海理工大学机械工程学院，上海200093)摘要：通过对人的行走方式进行观察模拟设计J，仿人双足机器人，运用D—H方法分析其机构组成，为其设计了具有周期循环性的步态，并把三维实体模型导人到运动分析软件ADAMS中，添加约束驱动等，最后进行验证。将仿真结果应用到现实物理样机上，使物理样机能够实现人的行走动作。关键词：双足机器人；约束；ADAMS软件；步态规划；

2、零力矩点中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1671-3133(2012)lo—0023珈5一，D墼蜘andimplementationofthebionicbipedalrobotGongChikun，ZhangZhibin(SchoolofMechanicalEngineering，UniversityofShanghaiforScienceandTechnology，Shanghai200093，China)Abstract：Bystudyingofhumanbeing’Swalk

3、ingstyle．bipedalrobotisdesigned．D—Hmethodisusedtoanalyzeitsmechanicalstructureandperiodicwalkingstyleisdesigned．Theseareallvalidatedbyits3DentitymodelwithconstraintsandmotionsinADAMS．PhysicalprototypeCallwalkinthestylelikehumanbeing’Swalkingstylebyusi

4、ngsimulationresult．Keywords：bipedalrobot；constraints；ADAMS；gaitprogramming；ZeroMomentPoint(ZMP)0引言1仿人双足机器人机械结构设计近年来，对双足机器人的研究已经引起世界各国机器人专家的重视¨J。由于双足机器人本身是一个复杂的非线性系统，所以在实现双足机器人动态稳定行走这一关键问题时，仍有许多难题有待攻克。要想实现双足机器人动态行走，必须对机器人进行动力学建模，步态设计和稳定性分析，步态设计作为其中的一个重

5、要环节，在双足机器人动态步行中起着关键作用口引。由于双足机器人的自由度多且在动态行走时各自由度之间的关系协调比较困难，导致双足机器人的步态设计复杂化，缺乏一个对双足机器人动态行走时各种步态稳定性影响的定量指标¨。。本文通过观察分析现实中人腿的结构及其运动形式，设计了双足机器人的模型，每条腿具有5个自由度来模仿人的行走步态，并且在ADAMS软件中对设计的步态进行虚拟仿真，验证步态轨迹规划的可行性；根据虚拟样机的运动参数设定现实中物理样机的驱动参数，实现仿人双足机器人的步行。+．卜海市教育委员会重点学

6、科建设资助项目(J50503)根据对双足动物结构和运动方式的研究，按照相似的原则设计了一种双足机器人，其三维实体模型如图1所示。电图1双足机器人三维实体模型该双足机器人采用双足对称式分布结构，每条腿腿根部位的平面与前进方向所在的平面相垂直，每条腿有5个自由度。其中电动机l主要负责转移重心且与机器人的躯干相固结，使得腿可以在垂直于前进方向的平面内转动，为机器人转移重心提供基本动力；电动机2负责整体腿的提升与放下，即整条腿的俯仰232012年第10期现代制造工程(ModernManufacturing

7、Engineering)动作；电动机3负责小腿的转动，带动脚板在空问内做向前伸展与收缩即人腿的膝盖动作；电动机4模仿人的踝关节的俯仰动作；电动机5模仿人的踝关节的横滚动作，配合电动机1进行重心的转移。电动机1与电动机2之间、电动机4和电动机5之间的转动轴正好相垂直，所以通过两个相垂直的u型块进行连接。大腿和小腿的板式结构扩大了机器人运动的范围，同时也在一定程度上提高了机器人前进的速度。2仿人双足机器人运动学分析仿生四足机器人运动学研究的主要目的是要建立机器人各个运动构件与末端执行器空问位置之问的关

8、系，进而建立各构件运动的数学模型∞J。因机器人的布局呈前后左右对称形式，以机器人右前腿为例一进行运动学分析，每条腿有5个自由度，分别由5个转动副相连，从髋部到脚掌的运动传递可以看作是一开环系统。图2所示为双足机器人腿部的D—H坐标系，各坐标系的原点0，为关节i的轴线和相邻关节问公垂线口。的交点，x。轴和公垂线o。重合，z。轴和关节i的轴线重合，而■可以用右手螺旋法则来确定。zo姆t图2双足机器人腿部D—H坐标示意图图2中坐标系{1}是为了规划机器人的运动而增加的坐标系，坐标系{7}