可调式行走机构设计运动学分析和建模

毕业论文_可调式行走机构设计-运动学分析和建模第一章绪论1.1课题的研究背景和意义近年来，对双足行走运动的研究成为了力学、机械、控制、机器人学、生物学、心理学等学科的热点问题。与大多数四足或六足的动物相比，人类的双足行走运动可以把上肢解放出来，在运动的过程中完成其他的任务，且可以实现在更复杂、更崎岖的环境中运动；同时，人类的双足运动在稳定性的控制上也具有更高的要求。自20世纪90年代以来，对双足行走机器人的研究成为了国内外学者关注的一个热点问题。将基于主动控制的双足运动与基于被动行走的双足运动相结合，对于提高双足机器人的运动效率，实现多种运动步态都有十分重要的意义。世界上第一台的机器人样机制造于1954年的美国，它基本上体现了现代工业应用的机器人的主要特征，虽然它仅仅是一台试验样机，但是为机器人的进一步发展起到很大的推动和指引作用。随后美国的联合控制公司（ConsolidatedControlCompany)于1960年研制出了第一台具有真正意义的工业机器人。两年后美国的机床与铸造公司AMF也生产出了另外一种可以进行编程并实际用于工业操作的工业机器人。20世纪70年代，机器人技术开始向产业化发展，并逐渐发展成为一门专门的有着自己较系统理论的一门学科—机器人学（Robotics)，这样就进一步扩大了机器人的应用领域，如图1所示为机器人的各种应用实例。图1机器人各种应用领域随后各种坐标系统、各种结构机器人的相继出现以及计算机辅助设计技术的飞跃发展，使得机器人的性能和结构有了很大的进步，同时成本也在不断下降。20世纪80年代，各种不同结构、不同控制方法以及不同用途的工业机器人在工业比较发达的国家已经进入了真正的实用化普及阶段。随着传感器技术和智能.技术的发展，智能机器人的研究范围也逐渐扩大，机器人的视觉、触觉、力觉、听觉、接近觉等方面的研究大大的提高了机器人的自适应能力，促进了机器人的人性化进程。20世纪90年代，机器人伺服驱动系统迅速发展，这一时期，各种装配的机器人产量增长迅速，与机器人配套使用的装置和视觉技术也得到迅猛发展。21世纪以来，机器人不仅仅局限于杆件结构，人们开始赋予它新的“肌肉”、“血管”，使其能够更好的比照人类进行运动和“生活”。这时期，机器人的形象更加丰富，感官、知觉等也越来越“人性化”。近几年，机器人特别是双足机器人产业发展突飞猛进，不管是从专业技术水平上，还是从装备的数量上，都具有集中优势。机器人研究强国日本研发的新型的面向人们日常生活和服务行业的“医疗机器人”、“唱歌机器人”、“服务机器人”等正逐渐进入角色，走进人们的生活，如图2和图3所示。2011年全球组织机器人进行全程马拉松大赛，要求两条腿的机器人完成约42.2公里的奔跑，此次比赛就是为了证实机器人的耐久性和灵活性。图2“唱歌机器人”和“服务机器人”图3“医疗机器人”和“工业机器人”研究双足行走机器人的目的和意义主要体现在以下2个方面：1)设计、研制高效、稳定的双足机器人及辅助行走设备，推进工程技术的进步。从上个世纪开始，各国科学家一直致力于研制具有双足运动能力的仿人机器人。双足机器人可以帮助人们在复杂的环境下作业、为人类服务。目前比较有代表性的是本田公司于2000年发布的双足机器人ASIMO，高度为120cm，重量43kg，可以实现行走、舞蹈、上下楼梯等运动，并可以与人交互，完成推车、导游等任务。将双足运动的机理应用到人工智能假肢中，进行助残和康复方面的研究也是双足运动领域的一个热点问题。2)通过对双足运动规律的研究，更好地理解人类双足行走的机理。人类的双足行走运动是一个非常复杂的过程，需要包括下肢和躯干在内的很多块肌肉的协调配合，来达到稳定的行走。由于人类可以在各种复杂的环境中实现自然、稳定、高效的行走，人类的行走运动为研制双足机器人提供了一个很好的自然界的范本。通过对双足行走机器人以及双足运动建模的研究，可以帮助我们进一步探索、发现人类双足行走的机理。1.2研究现状1.2.1国外研究现状国外的机器人技术发展和起步比国内较早，以欧、美、日的发展最为迅速。法国于2000年开发了一种具有15个自由度的能够适应在未知外界条件下的步行机器人BIP2000，可以实现静止站立、匀速行走、在线爬坡和简单上下楼梯等动作。麻省理工学院2005年设计研制了的机器人Domo，如图4所示，该机器人具有29个自由度，虽然它的部分关节虽然没有利用电动机和控制器，但是却能实现稳定的仿真运动，随后其又提出了一种虚拟模型控制策略（VirtualModelControl-VMC)，并且有效的应用于名为SpringTurkey和SpringFlamingo的两个双足机器人的控制系统中。同时为了能够更加有效的利用机械势能使其腿部能够完成被动的摆动过程，在步态规划的过程中参考了人类行走过程中的部分机构被动特性，将步态周期划分四个阶段分别设计研究，而且在实际的行走试验过程中无明显的停顿现象。此外，美国还推出了可以奔跑和表演体操的平面型双足机器人，最大速度高达4.3m/s。图4机器人Domo日本本田公司1996年研制出了世界上第一台可以实现无线控制、动态行走、的自主型仿人步行机器人样机P2，速度可达3km/h、并且能上下楼梯、推动物体，高182cm，重210kg,具有30个自由度，随后推出了自适应双足步行机器人P3，该机器人设有传感器，自适应能力较强，可以在障碍地面稳定行走，是一款可以自行上楼梯的仿人形机器人。还有可以自由转向的仿人形机器人ASIMO,具有26个自由度，其身高120cm，体重42kg，行走速度范围是0-1.6km/h，可以自我预测下一个动作并提前改变重心，可以进行弯腰、上下楼梯、“8”字形行走等各项“复杂”动作，此外还可以与人握手、挥手，甚至可以随着音乐缓缓起舞。1.2.2国内研究现状目前，随着机器人技术的完善以及应用的领域的扩大，我国的机器人技术也得到了迅速的发展并逐步形成体系。特别是21世纪以来，机器人技术发展更是突飞猛进，无论是工业还是服务业领域都有了较大的发展。国防科技大学研究出了拥有12个自由度的空间性双足机器人KDW-3，实现了步长0.2m、周期0.8s的动态行走，并具备转弯功能，该机器人最大可爬行角度为13°的斜坡其后，于2000年又研制出了仿人型机器人“先行者”号，如图5所示，它的控制系统拥有一定的语言功能，实现了机器人技术的重大突破。图5仿人型机器人“先行者”号2000年，上海交通大学智能机器人研究室研制除了共有24个自由度的仿人机器人SFHR，包含腿部的12个自由度、手臂的10个自由度和身上的2个自由度，可以实现步长0.Im，周期3.5s的步行运动。2001年又制造了“交龙”号轮椅机器人，“交龙”号的智能轮椅配备有激光测距雷达和视觉传感器，可以通过引导和实践自动记忆环境地图，具有高精度自定位能力，该轮椅具有灵敏迅捷的躲避障碍和路径规划能力、触摸屏和语音交互功能以及高度的安全性和机动性。2002年，北京理工大学设计的拥有32个自由度的仿人机器人BHR-1，如图6所示，可实现步长0.33m,速度Ikm/h的动态行走，并能根据自身的传感器和平图6仿人机器人BHR-1衡感知能力来平衡自身与地面的接触状态，实现未知地面的稳定行走2004年哈尔滨工业大学设计研发了一款可以踢球的仿人足球机器人——HIT，该机器人身高约50cm,共有17个关节，全身各个关节包括腰部、膝盖、胯部、脚踝等都是用螺丝连接，该机器人的行走速度可以达到0.2m/s，其头部配有摄像头，用来判断识别足球、其他球员以及障碍物，从而在比赛过程中自适应避障、准确射门，另外，它还可以进行爬楼梯等运动。近期清华大学在985计划的支持下设计出了仿人型机器人THBIP-1，该机器人具有32个自由度，高170画，重130kg,具有良好的自适应能力和反应能力。此外，我国于2008年组织了双足机器人足球赛和机器人武术擂台赛，这时的机器人的反应更加敏捷，对周围感知能力更强，而且更具有“人”性化。1.3双足行走机器人的分类目前国内外对双足行走运动的研究，可以从稳定性角度和力学角度进行分类。1.3.1从稳定性的角度分类从稳定性的角度，双足行走可以分为静态行走和动态行走。将能包容机器人足底与地面之间的所有接触点的最小多边形区域称为支撑多边形，则在静态行走中，在运动过程中行走者的质心在地面上的投影始终不超过支撑多边形的范围。而在动态行走中，行走者的质心在地面上的投影在某些时刻会在支撑多边形之外。静态行走的优点是可以时刻保证稳定性，缺点是行走速度会受到极大的限制。动态行走中，很多机器人采用的是基于零力矩法(zeromomentpoint，ZMP)的控制方法。这种机器人在行走过程中，支撑腿的脚掌与地面保持全接触的状态。相比于静态行走，基于ZMP的行走中的限制条件更宽松一些，机器人也可以实现在更大速度范围内的运动，但是在运动效率、步态自然性等方面依然和人类行走相差比较远。与基于ZMP控制的行走方式相比，基于极限环的行走(limitcyclewalking)中的限制条件更为宽松。基于极限环行走的概念最早由Hurmuzlu等人提出，Hobbelen等人又进行了系统的整理，其基本思想是：将行走运动看作一个极限环，不是在每时每刻都局部稳定，但是在整体上能形成稳定的周期运动序列。这种运动方式的双足机器人，具有更高的运动效率，而且更容易实现较高速度的行走。1.3.2从力学角度分类从生物力学角度，双足行走可以分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。基于主动控制的双足行走中，一般在所有关节都施加驱动，各个关节的运动轨迹是事先指定好的，根据期望的关节轨迹，计算各时刻所需要施加的驱动力矩，用轨迹跟踪的方法控制机器人各关节准确跟踪事先指定的轨迹。这种控制方法的优点在于：可以对机器人的运动方式进行精确的规划，机器人可以在驱动器功率允许的范围内完成各种复杂的运动，便于实现对双足运动的精确控制；缺点在于：能量消耗大，效率低，对驱动器的性能要求较高，步态不自然，与实际人类运动相差较大。基于被动行走的双足运动，一般不对各个关节的运动轨迹进行精确的规划，直接施加较简单的驱动和控制即可实现行走。这种行走的优点是运动效率高，步态自然，接近人类实际运动，制作相对简单，易于实现；缺点是控制难度高，运动的稳定性不容易保证，难以实现上下楼梯，跨越障碍物等较复杂的运动。1.4虚拟样机与运动仿真虚拟样机技术是上世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术(VirtualPrototyping,VP)的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。一般来讲，虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。产品设计过程中进行虚拟样机制造和运动仿真，对于提高产品质量和降低成本具有重要的作用。本文将对凿岩机行走机构进行实体建模，制造虚拟样机，同时进行运动仿真。虚拟样机制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿，福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机(如图10)是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟(如图11)，并对其运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了效率，本文将实现马尾纱包芯纱纺纱机样机的虚拟制造和动态仿真。图10777型大型客机1.5本文主要研究的内容1、对可调式双足行走