双足机器人运动学分析与仿真.pdf

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1、·电气与自动化·乌海东，等·双足机器人运动学分析与仿真双足机器人运动学分析与仿真乌海东，孔庆忠(内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特010051)摘要：完成双足步行机器人腿部尺寸的设计，并进行运动学分析。通过运动模型分析机器人腿部完成部分腰部转动功能的情况，运用MATLAB完成运动学计算并生成数据。运用Pro／E完成机器人腿部模型的建立，并完成仿真。研究结果为后续研究双足机器人动力学问题和机器人控制打下必要的基础。关键词：MATLAB；双足机器人；运动学分析；Pro／E；GUI中图分类号：TP242；TP391．9文献标志码：A文章编号：1671-5276(2014)01-01

2、71-03BipedRobetKinematicsAnalysisandSimulationWUHai—dong，KONGQing—zhong(CollegeofMechanicalEngineering，innerMongoliaUniversityofTechnology，Huhehaote010051，China)Abstract：Thispapercompletesthedesignandkinematicsanalysisofbipedrobot’sleg，usesthemovementmodelstoanalyzeitsrotationfunction．anduses

3、MATLABsoftwaretocompletekinematicscalculationandgeneratedataandusesPro／Esoftwaretoes—tablishthemodelofrobotandcompletethesimulation．Theselaythenecessaryfoundationsforthestudyofrobotdynamicsandcon-tro1．Keywords：MATLAB；bipedrobot；kinematicanalysis；Pro／E；GUI表2机器人各主要设计尺寸1机器人总体设计机器人的上体用一个质量块代替。为了增

4、强研究内容的通用性，选择主流机器人腿部结构配置：单腿六自由度结构。为保证稳定行走，需要在髋、膝、踝配备合理的自由度。自由度分配如表1所示。表1自由度分配表此处脚长数据为实际测量值；取值时为了能完成稳定步行故取值较大。2机器人运动学机器人腿部各个杆件长度仿照人体的实际尺寸设计。从仿生学的角度，人体经过长时间的生物进化各个部分的长度经过了很好的优化，因而仿照人体实际尺寸设计机器2．1正运动学人也能达到自然优化的效果。选择《中国成年人人体尺选择空间直角坐标系定义机器人各个杆件的位置。寸》中按照男性人体第50百分位数的人体数据作为设计全局参考坐标系的原点：机器人竖直站立时机器人髋部连依据

5、，并以身高作为计算基准，来设计机器人腿部基本线中点在地面的投影点。尺寸⋯。通过旋转矩阵与角速度矢量之间的关系推导出旋转例如参考数据：身高：1678mm；大腿长度：465mm，大矩阵的矩阵指数形式j：腿长度比例为：465+1678H=0．277H。其余计算结果如表JR=E+i妒+z(1-cosqO2所示。其中，为转动轴单位矢量；妒为转动角度。^为特殊的作者简介：乌海东(1986一)，男，满族，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要研究方向是机器人。MachineBuilding8Automation，Feb2014，43(J)：171～173，186·17l··电气与自动化·乌海东，等

6、·双足机器人运动学分析与仿真、=[。。】TNTl。T22T3-．．N-IT～图l正逆运动学GUI2．2逆运动学3机器人运动分析与仿真理想运动步行模型：在机器人模拟行走过程中，暂不考虑动力学，上体中心轴方向投影始终在两脚之间；双脚脚底始终保持与地面平行，并且离地高度为0。仿真时间共80S，前后20S为下蹲和直立阶段，中间每10S为一个阶段，分别对应：1、右脚迈出2、左脚跟上，两脚并拢3、左脚迈出4、右脚跟上，两脚并拢。3．1上体竖直向前直线行走本节计算上体高度与行走步长之间的关系，并测定各[sCz2cC：4-：$2：S3sS4-c$：2：C，3sC：2S4+$283cC4]-=个关

7、节角度范围，其运动关节主要运用了X-Z平面中的6个自由度完成行走。根据几何关系可知，行走过程中双腿处于伸直状态时为理沦极限位置，如图2所示LZl—4d5入^。I体’鞋^“．1{】Jl常竹止．，：打止饭{图2上体直立行走原理图2．3正逆运动学GUI在一定高度时，双脚步行步长过大时，双腿长度就无法满足要求，也就是当一只腿的大腿小腿成一条直线时到达理论极限位置，这时的位置关系和杆件构成了直角j：角形便于计算。其中日为BODY杆件对地高度，，J为步长，对应有关系式：日=万之后对对应状态进