拟人机器人运动设计及制作.docx
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拟人机器人运动设计及制作
毕业设计论文
姓名：
学号：
学院：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
题目：
拟人机器人运动设计及制作
指导老师：
2014年6月
摘要
拟人机器人是一个复杂的多刚体双足行走系统，并具有多输入多输出,强耦合，非线性等特点。
近年来，拟人机器人的研究发展迅速，拟人机器人越来越具有人的特征，双足步行，相对于其他移动方式，是支撑离散，交替地接触地面的，可主动选择最佳支撑点，因而受环境的限制少，具有很高的灵活性。
拟人机器人模拟人类的行走方式，特别适合在人类的日常生活和工作中，与人友好协调地完成任务，拟人机器人的双足动态步行研究，正成为机器人领域的一个研究热点，不仅具有重要的学术意义，而且有现实的应用价值，要稳定地实现拟人机器人的双足动态步行，涉及的领域很广。
本文以拟人机器人为研究对象，使用专业软件Pro/E对其进行三维造型。
对机器人主要包括：
身体的实体造型、腿的实体造型和脚的实体造型等。
机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足实时性控制的需要，本文进行了分析，为结构优化提供理论依据。
最后，对论文主要研究内容和取得的技术成果进行了总结，提出了存在的问题和不足，同时对机器人技术的发展和应用进行了展望。
关键词：
拟人机器人;运动学;Pro/E
Abstract
Humanoidrobotisacomplexmulti-rigid-bodybipedwalkingsystem,whichhasmultiple-input,multiple-output,strongcoupling,onlinearandothercharacteristics.Theresearchonhumanoidrobotdevelopedrapidlyinrecentyears,andhumanoidrobothasmorehumanbeingcharacters.Comparingwithotherlocomotionmethods,thesupportingpositioncanbechosen,thelocomotionhastheleastrestrictionfromtheenvironment,sothebipedwalkinghasthehighestflexiblity.Sincehumanoidrobotcopythelocomotionmethodfromhumanbeing,itsuitstohuman-friendlyhelppeopleorcooperatewithpeopleinthedailylifeandworks.Studyingthebipeddynamicalwalkingofahumanoidrobotisbecomingoneofthemainfocusinrootics,ifhasnotonlyimportantacademicvaluebutalsoconsiderablesignificanceofapplication.
Thispaperistakingthemankindrobotasexample.forelephantasItcarriesoutthree-dimensionalmodellingbytheprofessionalsoftwarePro/E.Forengine,modellingismainlyincluding:
theentitymodellingofbody,theentitymodellingoflegandtheentitymodellingoffoot.
Thefunctionofdynamicsistogettherelationshipbetweenthemovementandforceandthetargetistosatisfythedemandofrealtimecontrol.inthischamfer,Newton-Euripidesmethodisusedinanalysisdynamicproblemofthecleaningrobotandthearthrosisforceandtorquearegivenwhichprovidethefoundationforstepmotorselectingandstructuredynamicoptimalthing.
Atlast,theresearchcontentandtheachievementaresumupandtheproblemsandshortagesinmainthecontentarealsolisted.Thedevelopmentandapplicationofrobotinthefutureisexpected.
Keywords:
Humanoidrobot;Kinematics;Pro/e
第1章绪论
1.1课题背景
从1920年捷克斯洛伐克作家卡佩克在他的一本科幻小说--《罗萨姆的机器人万能公司》中构思和幻想了第一个名字叫罗伯特（Robot）的机器人，到1947年美国橡树岭国家实验室研制成功第一台主从遥控机器人，再到2004年3月9日索尼公司的人形机器人“QRIO”在东京市举行的节目彩排中登台亮相，担任乐队指挥，机器人的研制取得了巨大的发展。
机器人已经发展成为一种产业，方兴未艾。
机器人技术是多门学科和技术的集成，涉及到机器人学、机电控制、人工智能、通讯、计算机、传感器技术等多个领域的前沿研究。
一般来说，机器人主要可分为两类：
一类是用于制造环境下的工业机器人如焊接、搬运、喷漆机器人等；另一类是用于非制造环境下的特种机器人如服务、医疗、娱乐机器人等。
随着计算机、控制、传感等技术和人工智能理论的发展，机器人技术正得到突飞猛进的发展。
机器人已被广泛应用于工业领域的各行各业，从事如焊接、搬运、装配等工作：
同时其也被逐渐应用于军事、医疗和其它一些服务行业。
机器入主要由执行机构和控制系统组成，如果将执行机构比作为人的肌体，则控制系统就可比作人的大脑和神经中枢，因而机器人的先进程度与能强弱通常都直接与其控制系统的性能密切相关。
机器人控制系统是根据指令及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。
作为机器人的核心部分，机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。
机器人分类方法很多，也很复杂，按应用领域分类可以分为服务机器人，军用机器人，空间机器人，水下机器人和医疗机器人。
按机械结构坐标布置形式分类可以分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人和关节型机器人。
按技术发展进程分类，一般认为有三代机器人：
第一代机器人（可编程机器人及遥控操作机），这种机器人可根据操作人员所编写的程序完成一些简单重读性工作，遥控操作的每一步动作都要靠工作人员发出；第二代机器人（感知机器人）带有外部传感器，可进行离线编程。
能在传感器系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修改程序的功能。
第三代机器人（智能机器人），这一代机器人不仅具有高度发达的感觉装置，如视觉系统，测距系统和语音识别系统，可以对环境进行感知，分析，还具有一定的决策和规划能力。
能根据
人的命令或按照所处的环境，自行做出决策，规划动作，完成任务。
国内外都在进行第三代机器人的探索和研究，这类机器人主要有装配机器人，外层空间机器人，资源开发机器人，拟人机器人和军事机器人[1]。
世界著名机器人学专家，日本旱稻田大学的加一郎教授说过：
“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”[2]。
步行是人与大多数生物所具有的移动方式，包括双足步行，四足和六足步行，其中双足步行是各种步行方式中自动化程度最高，最为复杂的。
双足步行机器人作为一种移动式机器人，它与轮式，履带式机器人相比更适应各种地面，并具有较强的逾越障碍的能力；另外步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式机器人，即能耗较小双足步行机器人是多门基础学科，多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。
它不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产，生活中有着广泛的用途。
研究双足步行机器人的科学意义主要有如下几点：
（1）双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其他步行结构所无法比拟的[3]。
两足机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化，同时有力推进机器人学及其他相关学科的发展。
（2）两足步行机器人是工程上少有的高阶，非线性，非完整约束的多自由度，多变量，强耦合和变结构复杂动力学系统，其动态平衡问题为机器人运动学，动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。
对其进行研究能够促进控制领域中新理论，新方法的产生[4]。
（3）双足步行机器人作为步行机器的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径[5]。
研制一种连续稳定步行的拟人型双足机器人可为机器人操作器提供灵活的操作平台，使其能够促进康复医学，仿生学，人工智能，计算机图形学，通信等相关学科的发展[6]。
（4）拟人型双足机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，扩展人类的能力。
同时在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域有着广泛的应用前景。
1.2国内外发展现状及发展前景
1.2.1国内研究现状
国内双足步行机器人的研究起步较晚，开始于1988年国防科技大学对六关节平面运动型双足步行器的研究。
国防科技大学的“先行者”是国内第一台拟人机器人，高1400m，重20kg，可以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。
随后清华大学，哈尔滨工业大学，北京理工大学，中科院等单位都开展了双足机器人的研究，并取得了很多成果。
国内最新的研究成果是北京理工大学黄强教授[7~9]带领的团队研制的BHR-2[10]，该拟人型机器人与日本的人形机器人外貌相似，能够打太极拳，并且能够根据地面的情况调整姿态。
1.2.2国外研究现状
各国学者对双足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作，最早在1986年，英国的Mosher.R成功试制了第一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，它只有踝关节和髋关节，机器人的平衡通过操纵者对力反馈的感觉来保持，这种主从式的机械装置可以算是双足步行机构的雏形。
日本在双足步行机器人的研究方面走在世界的前列，并且研发双足步行机器人的历史由来已久。
日本本田公司的P2，P3的行走机器人最先进，P2能通过感应器把地面的信息传递到大脑，机器人的电脑再根据情况进行判断，进而平衡身体稳步前进。
它不仅可以走平路，而且可以爬台阶和在倾斜路面上行走；不仅能推车，而且能通过严控拧螺钉。
P3机器人是P2的改进型，它比P2更先进，与人类更加接近。
1.2.3机器人的未来
机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。
从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。
尤其是近年来，随着计算机技术的日臻完善，机器人的发展更是突飞猛进。
我国在20世纪90年代开始了机器人的时代，30年来我国对于机器人的研究取得了可喜的进步，但重点仍然在工业机器人上，这成为我国机器人发展局限的一个地方。
而且，虽然近年来我国在工业机器人方面发展寻思，但与发达国家相比还是很大差距，机器人研究制造技术还不成熟。
如今，我国正从机器人“制造大国”向“制造强国”迈进，制造业面临巨大的挑战。
不过有挑战才有机遇，相信我国机器人产业又一次腾飞必将不远。
1.3拟人机器人运动学与动力学分析
拟人型机器人两足步行机构是一个复杂的多连杆机构，单脚支撑期的开链构形和双脚支撑期的闭链构形交替出现，是一个内在的不稳定系统。
其动力学特性非常复杂，具有多变量，强耦合，非线性和变结构的特点，为规划其步行运动的步态和进行步行控制研究，必须透彻了解其内在的运动学和动力学特性。
运动学建模的目的是确定机器人各个关节与组成机器人各个刚体之间的运动学关系，是进行步态规划的基础；动力学建模的目的是在运动学建模和步态规划的基础上，研究在拟人机器人双足行走的过程中各个连杆运动与各个关节
驱动力矩之间的作用关系，另外，通过动力学模型可以对规划的步态进行计算机仿真以确定步态的步行特征以及各驱动关节的力矩和功率，为机器人的机构设计和控制系统的优化设计提供依据。
1.4设计与制作
拟人机器人主要是实现双足行走的下肢机构，进行作业操作的上肢机构，以及安装有各种感知控制系统的上体机构组成。
尽管上肢的摆臂运动及其上体的运动可以在一定程度上协助实现稳定步行，但是上肢和上体的主要功能并不是为了实现行走的，他们一般都有自己的任务，两足动态稳定步行的实现主要还是依靠下肢行走机构，将上肢和上体对步行运动的影响综合起来，一般情况下可以用一个上体连杆代替，这时，拟人机器人两足系统模型就简化了很多，对两足步行的研究更有针对性和方便。
因此，本文主要针对拟人机器人两足步行机构进行建模。
主要是通过Pro/e进行三维造型设计，主要设计机器人的下肢，仿真膝关节和踝关节等部件。
然后在其基础上制作机器人。
第2章拟人机器人双足步行机构的数学模型
2.1机器人的数学模型
双足机器人是一个多变量、强耦合、具有冗余自由度的动力学系统。
它也是一个复杂的多连杆机构，具有丰富的动力学特性。
在自起立过程中，机器人由多处接触地面到两脚站立;在机器人侧向运动过程中，单脚支撑期的开链结构和双脚支撑期的闭链结构交替出现，摆动腿着地时与地面之间存在着冲击力等这些现象使得其数学模型具有显著的非线性和复杂性。
这些因素导致对机器人很难进行精确的数学建模。
为了实现稳定规划和控制，有必要深入的研究其数学模型。
双足步行机器人运动学建模的目的是在给定各个关节运动的前提下，确定机器人的各个部分的运动学关系;动力学建模的目的是在运动学建模和步态规划的基础上，研究在双足步行机器人行走的过程中各个杆件之间的作用，即分析各个关节所受的力和力矩。
另外，通过动力学建模可以对规划出的步态轨迹进行仿真以确定步态的步行特征以及步行机构各个关节所需要的控制力矩，为机器人机构的设计以及驱动装置的优化设计打下基础。
在建立双足机器人的力学模型时，要考虑到所建立的力学模型不但要用于轨迹规划的评价，还要用于控制模型的计算，而这不是所有的建模方法都能够办得到的。
控制方程应该比较适合编程，拥有较优越的控制性能高效的计算效率。
考虑到这些因素，谨慎地选取建模方法是非常必要的。
本章采用的基于广义坐标的建模方法，不但能方便地求解运动轨迹，而且可以直接转化为驱动电机的转角。
同时为了更好的表示起立规划（不仅只具备侧向运动时具有的腿部的功能外，而且还具有在起立时需要用到的上身的功能，自由度也比侧向运动时成倍的增加）和侧向规划，本章还对这两种规划方式建立不同的模型但都用拉格朗日方程对动力学模型的分析。
根据文献
到文献
所讲，可得到机器人建模中的数学基础。
2.2数学基础
2.2.1位姿描述
在机器人研究中，通常在三维空间中研究物体的位置。
这里所说的物体既包括机器人各个连杆、电机及连接部件，也包括机器人工作空间内的其他物体。
通常这些物体可用两个重要的特性来描述:
位置和姿态。
刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿，其描述方法很多，如齐次变换法、矢量法、旋转法和四元数法等。
采用齐次变换法，其优点在于它将运动、变换和映射与矩阵
联系起来，可以方便的运用矩阵理论解决相关问题。
一旦建立了坐标系，就能用一个3x1的位置矢量对坐标系中的任何点进行定位。
在直角坐标系中通常用一个位置矢量表示一个点。
在坐标系{A}中，用一个矢量来表示点P。
可等价地被认为是空间的一个位置，或者简单地用一组有序的三个数字来表示，则
=[
]，其中:
分别表示三个坐标分量。
为了描述空间某刚体B的方位，另设另一直角坐标系{{B}以某种方式固定在物体上，用坐标系{B}的三个单位主矢量
，相对于坐标系{A}的方向余弦组成的3X3矩阵。
=[
]来表示刚体B相对于坐标系{A}的方位。
称为旋转矩阵。
有9个元素，6个约束方程，所以只有3个元素是独立的。
同时，
也是正交矩阵。
为了完全描述刚体B在空间的位姿，通常将物体B与某一坐标系{B}相固接，{B}的坐标原点一般选在物体B的特征点上，如质心或对称中心等。
相对参考系{A}，由位置矢量
和旋转矩阵
分别描述坐标系{B}的原点位置和坐标轴方位。
因此，刚体B的位姿可由坐标系{B}来描述，即
{B}={
}
当上式表示位置时，
=1:
当表示方位时，
=0。
2.2.2齐次坐标和齐次变换
坐标系{B}的原点与{A}的不重合，且坐标轴方位不同，此时可以通过BP描述AP，如（2-2）式所示:
=
+
（2-2）
定义三维空间内某点P的直角坐标和齐次坐标分别为P=[xyz]和p=[xyz1]T=[ωx,ωy,ωz,ω]T（其中是非零常数），并且规定:
[1000]T代表ox轴上的无穷远点;非无穷远点[[0001]T代表坐标原点。
这样，利用齐次坐标不仅可以规定点的位置，还可以用来规定矢量的方向。
当第四个元素非零时，代表点的位置;为零时，代表方向。
式（（2.2）所表示的复合变换对于
是非齐次的，通过齐次坐标可变为:
=
（2-3）
若仍然把齐次坐标记作
和
，并令:
=
式（2-3）即为：
=
，
综合反映了平移变换和旋转变换，称为齐次
变换矩阵。
2.2.3连杆的描述
机器人可以看成由一系列刚体通过关节连接而成的一个运动链，将这些刚体称为连杆。
连杆的功能在于保持其两端的关节轴线具有固定的几何关系，连杆的特征也是由这两条轴线规定的。
空间中的任意两个轴之间的距离为一个确定值，两个轴之间的距离即为两轴之间的公垂线长度。
两轴之间的公垂线总是存在的，当两轴不平行时，两轴之间的公垂线只有一条。
当两关节轴平行时，则存在无数条长度相等的公垂线。
如图2-3所示，连杆i-1是由关节轴线i-1和i之间的公垂线的长度为ai-1,ai-1即为连杆i-1的长度。
也可以用另外一种方法来描述连杆参数ai-1,以关节轴i-1为轴线作一个圆柱，并且把该圆柱的半径向外扩大，直到该圆柱与关节轴i相交时，这时圆柱的半径即等于ai-1。
用来定义两关节轴相对位置的第二个参数为连杆转角。
如图所示，转角ai-1定义为连杆i-1的扭角，即表示为关节轴i-1和关节轴i之间的夹角。
ai-1的指向规定为从轴线i-1绕公垂线转至轴线i所成的锐角。
两轴线平行时，ai-1=0°;两轴线相交时ai-1=0。
此时ai-1指向不定。
图2-1连杆描述示意图
在一个机器人系统里，所有的连杆均可以视为中间连杆或者首末连杆。
中间连杆具有下述特征:
假设相邻两连杆i和i一1由关节i相连，因此关节轴线i有两条公法线与它垂直，每条公法线代表一条连杆，ai-1代表连杆i-1;ai代表连杆i，如图2-4所示。
两条公法线ai-1与ai之间的距离di称为两连杆间的偏置;ai-1和ai之间的夹角θi称为两连杆之间的关节角。
di和θi都带正负号。
di表示ai-1
与轴线i的交点到ai与轴线i的交点之间的距离，沿轴线i测量;θi表示ai-1和ai之间的夹角，绕轴线i由ai-1到ai测量。
连杆长度ai-1恒为正，扭角ai-1可正可负。
图2-2中间连杆
对于运动链两端的首末连杆，规定a0=a末=0；α0=α末=0°。
对于转动关节，θ1和θ末是可变的，约定d1=d末=0。
2.2.4连杆坐标系
每个连杆由是个参数ai-1，αi-1，di和θi来描述，ai-1和ai描述连杆i-1本身的特征;di和θi描述连杆i-1与连杆i之间的联系。
对于旋转关节i，仅仅θi是关节变量，其它三个参数固定不变的。
对于移动关节i，仅仅di是关节变量，其它三个参数是固定不变的。
这种描述机构运动的方法称为D-H方法。
对于一个n关节的机器人，用3n个参数可以完全表示它的运动学中固定部分，而用n个关节变量描述运动学中变动部分。
为了确定机器人各连杆之间相对运动关系，在各连杆上分别固接一个坐标系。
与基座固接的坐标系记为{0}，与连杆i固接的坐标系记为{i}。
确定连杆坐标系的方法如下:
中间连杆:
坐标系{i-1}的Z轴Zi-1;与关节轴i-1共线，指向任意;X轴Xi-1，与连杆i-1的公垂线重合，指向由关节i-1到关节i，当ai-1=O时，取Xi-1;Y轴Yi-1，按右螺旋法则规定，即Yi-1=Zi-1*Xi-1，原点Oi-1取在Xi-1和Zi-1的交点上。
当Zi和Zi-1相交时，原点取在两轴交点上;当Zi和Zi-1平行时，原点取在di=0的地方。
如图:
画出连杆i-1和连杆i坐标系{i-l}和{i}的设定位姿。
首末连杆:
基座标系{0}与基座固接，固定不动，常用它来描述机器人其它连杆的运动。
基座标系{0}原则上可以任意规定，但为了简单起见，总是规定，当第一个关节变量为零时，{0}与{1}重合。
这种规定隐含:
a0=0；α0=0°，当第一个关节是旋转关节时，di=0；第一关节是移动关节时，θ1=0。
末端连杆坐标系{n}的规定与坐标系{0}类似。
对于旋转关节n，取Xn使得θn=0时，Xn与Xn-1重合，{n}的原点选在使dn=0的地方。
需要指出的是，连杆坐标系的设定不是唯一的，例如，虽然Zi-1与关节轴i-1一致，但是Zi-1的指向有两种选择;当Zi和Zi-1相交时，Xi-1的指向也有两种选择;当Zi和Zi-1平行时，{i-l}的选取也具有一定的任意性。
选择不同的连杆坐标系，相应的连杆参数也会不同。
图2-3连杆坐标系
根据所设定的连杆坐标系，相应的连杆参数可定义如下：
ai-1:
从Zi-1到Zi沿Xi-1，测量的距离;
ai-1:
从Zi-1到Zi沿Xi-1旋转的角度;
di:
从Xi-1到Xi沿Zi测量的距离;
θi:
从Xi-1到Xi沿Zi旋转的角度;
ai-1代表连杆i-1的长度，规定ai-1≥0；而ai-1，di和θi可正、可负。
2.2.5运动学模型
机器人运动学主要是把机器人相对于参考坐标系的运动作为时间的解析函数进行分析研究，不考虑引起这些运动的力和力矩。
尤其是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位姿之间的关系。
机器人运动学的研究与空间机构学密切相关。
目前研究方法有很多，有以画法几何为基础的图解法，有运用矢量分析、矩阵、二元数等数学工具的解析法。
图解法发展较早，这种方法虽然简洁直观，但仅限于平面机构及某些简单的空间机构问题。
双足步行机器人的运动学建模即是求解摆动脚的运动状态与各关节运动状态的数学关系。
运动学建模包含正运动建模与逆运动学建模两个方面。
正运动学是给定双足步行机器人各个杆件的参数和关节的运动情况，求解摆动脚相对于参考坐标系的位姿;逆运动学问题则是通过步态规划得到机器人摆动脚与上体相对于参考坐标系的位姿，求解双足步行机器人的各个关节的运动情况。
即是说，运动学正问题是在给定各关节的位置、速度、加速度，求各杆件特别是末端执行器的位姿
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