双足机器人运动学三维仿真研究.pdf

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1、第27卷第7期计算机仿真2010年7月文章编号：1006—9348(2010)07—0153—04双足机器人运动学三维仿真研究敬成林，李祖枢，薛方正(重庆大学智能自动化研究所，重庆400044)摘要：机器人三维图形仿真是机器人离线控制系统开发中的重要环节。为优化机器人的位姿，双足机器人由于具有多自由度、强耦合和高度非线性等特点，其运动学仿真研究大都集中在各个关节的运动学二维曲线上=，很难有三维可视化运动效果。针对这一难点，对双足机器人提出了一种树形数据结构。通过采用结构并结合机器人连杆机构的运动学原理，设计了一种机器人运动的矩阵变换方法。根据上述方法，树形Matlab平台可

2、视化编程实现了双足机器人运动学三维仿真，并作了仿真双足机器人的行走动作和进行动作优化。为实物机器人的研制提供了町靠的技术依据。关键词：双足机器人；三维仿真；运动学；树形数据结构中图分类号：TP391．9文献标识码：ATri—-DimensionalSimulationofBipedRobotaboutKinematicsJINGCheng—lin，LIZu—shu，XUEFang—zheng(InstituteofInteHigentAutomation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)ABSTRACT：The3Dgrap

3、hicalsimulationofrobotisallimportantpartintheoff—linecontrolsystemforrobot．SinceBipedrobotshavethecharacteristicsofmultipledegreesoffreedom，strongcouplingandhighlynonlinear，thesimulationstudiesofbipedrobotsmainlybaseon2Dcurves．Itisdifficulttohavetheeffectofthree—dimensionalvi—sualizationof

4、movement．Inordertosolvetheseproblems，wepresentatree—likedatastructure．Baseonthisstrut-toreandlinkagekinematicsprinciple，amatrixtransformalgorithmofrobotloco—motionisdesigned．ThroughtheMaflabplatform，a3Dsimulationprogramandoptimization唧givenbyusingthepreviousalgo—orithm，whichof-fersthefound

5、ationforthestudyofbipedrobot．KEYWORDS：Bipedrobot；3Dsimulation；Kinematics；Tree—likedatastructurel引言机器人仿真是机器人研究中的一项重要内容，在机器人示教编程、运动规划、碰撞检测等方面都有着广泛的应用⋯拉J。世界上许多国家的学者正在从事双足机器人的仿真研究，比较成功的例子是日本学者HirohisaHimkawa等利用三维仿真成功地研究和开发出了两款双足机器人HRP一1和HRP一2【3J。但是，由于双足机器人是一个多自由度的复杂机械结构，其运动学方程具有非线性和强耦合的特点，致使目前

6、大多数研究是对双足机器人各个关节的运动学进行仿真，往往只能用曲线的形式给出仿真结果，而无法用三维动画的形式可视化地给出双足机器人的运动效果。文献[4][5][6]是用联合仿真的方法实现双足机器人或仿人机器人的三维仿真的，这也是目前国内普遍采用的方法，但各软件之间进行复杂的数据交换带来的误差势必影响仿真对实际系统分析基金项目：国家自然科学基金资助项目(60274022，60574076)收稿13期：2009—05—05修回日期：2009—06—22的可靠性。文献[7]虽然就一种编程语言实现了三维仿真，但书中给出的数据结构没有合理反映双足机器人下肢肌理，甚至没有反映出下肢各关节

7、以及相邻关节之间的耦合作用。本文根据双足机器人的下肢肌理，提出了一种带内环的树状数据结构，比较客观地再现了下肢各关节以及相邻关节之间的结构关系。依此数据结构建立了一种由机器人运动学导出的矩阵变换方法，并以此设计递归算法，可以容易地求出各关节在世界坐标系中的位姿。这种方法可以仅在一种编程语言各命令行交换数据。借助Matlab平台可视化编程平台，实现了机器人三维图形的仿真。并模拟了双足机器人的行走动作和成功进行了动作优化。由于这种方法没有联合仿真数据交换累积的误差，所以仿真得到的有效数据可以直接发送到下位机连接端口，对