畢業(yè)論文可調(diào)式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和建模-文庫(kù)吧
2025-06-13 11:13 本頁(yè)面
【正文】 13176。的斜坡其后，于2000年又研制出了仿人型機(jī)器人“先行者”號(hào)，如圖5所示，它的控制系統(tǒng)擁有一定的語(yǔ)言功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的重大突破。圖5 仿人型機(jī)器人“先行者”號(hào)2000年，上海交通大學(xué)智能機(jī)器人研究室研制除了共有24個(gè)自由度的仿人機(jī)器人SFHR，包含腿部的12個(gè)自由度、手臂的10個(gè)自由度和身上的2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)0. Im。2001年又制造了 “交龍”號(hào)輪椅機(jī)器人，“交龍”號(hào)的智能輪椅配備有激光測(cè)距雷達(dá)和視覺(jué)傳感器，可以通過(guò)引導(dǎo)和實(shí)踐自動(dòng)記憶環(huán)境地圖，具有高精度自定位能力，該輪椅具有靈敏迅捷的躲避障礙和路徑規(guī)劃能力、觸摸屏和語(yǔ)音交互功能以及高度的安全性和機(jī)動(dòng)性。2002年，北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)的擁有32個(gè)自由度的仿人機(jī)器人BHR1，如圖6所示，,速度Ikm/h的動(dòng)態(tài)行走，并能根據(jù)自身的傳感器和平圖6 仿人機(jī)器人BHR1衡感知能力來(lái)平衡自身與地面的接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走2004年哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了一款可以踢球的仿人足球機(jī)器人——HIT，該機(jī)器人身高約50cm,共有17個(gè)關(guān)節(jié)，全身各個(gè)關(guān)節(jié)包括腰部、膝蓋、胯部、腳踝等都是用螺絲連接，其頭部配有攝像頭，用來(lái)判斷識(shí)別足球、其他球員以及障礙物，從而在比賽過(guò)程中自適應(yīng)避障、準(zhǔn)確射門，另外，它還可以進(jìn)行爬樓梯等運(yùn)動(dòng)。近期清華大學(xué)在985計(jì)劃的支持下設(shè)計(jì)出了仿人型機(jī)器人THBIP1，該機(jī)器人具有32個(gè)自由度，高170畫(huà)，重130kg,具有良好的自適應(yīng)能力和反應(yīng)能力。此外，我國(guó)于2008年組織了雙足機(jī)器人足球賽和機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽，這時(shí)的機(jī)器人的反應(yīng)更加敏捷，對(duì)周圍感知能力更強(qiáng)，而且更具有“人”性化。 雙足行走機(jī)器人的分類目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙足行走運(yùn)動(dòng)的研究，可以從穩(wěn)定性角度和力學(xué)角度進(jìn)行分類。 從穩(wěn)定性的角度分類從穩(wěn)定性的角度，雙足行走可以分為靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走。將能包容機(jī)器人足底與地面之間的所有接觸點(diǎn)的最小多邊形區(qū)域稱為支撐多邊形，則在靜態(tài)行走中，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中行走者的質(zhì)心在地面上的投影始終不超過(guò)支撐多邊形的范圍。而在動(dòng)態(tài)行走中，行走者的質(zhì)心在地面上的投影在某些時(shí)刻會(huì)在支撐多邊形之外。靜態(tài)行走的優(yōu)點(diǎn)是可以時(shí)刻保證穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是行走速度會(huì)受到極大的限制。動(dòng)態(tài)行走中，很多機(jī)器人采用的是基于零力矩法(zero moment point，ZMP)的控制方法。這種機(jī)器人在行走過(guò)程中，支撐腿的腳掌與地面保持全接觸的狀態(tài)。相比于靜態(tài)行走，基于 ZMP 的行走中的限制條件更寬松一些，機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)在更大速度范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，但是在運(yùn)動(dòng)效率、步態(tài)自然性等方面依然和人類行走相差比較遠(yuǎn)。與基于 ZMP控制的行走方式相比，基于極限環(huán)的行走(limitcycle walking)中的限制條件更為寬松?；跇O限環(huán)行走的概念最早由 Hurmuzlu 等人提出，Hobbelen等人又進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，其基本思想是：將行走運(yùn)動(dòng)看作一個(gè)極限環(huán)，不是在每時(shí)每刻都局部穩(wěn)定，但是在整體上能形成穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)序列。這種運(yùn)動(dòng)方式的雙足機(jī)器人，具有更高的運(yùn)動(dòng)效率，而且更容易實(shí)現(xiàn)較高速度的行走。 從力學(xué)角度分類從生物力學(xué)角度，雙足行走可以分為基于主動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)和基于被動(dòng)行走的運(yùn)動(dòng)?；谥鲃?dòng)控制的雙足行走中，一般在所有關(guān)節(jié)都施加驅(qū)動(dòng)，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡是事先指定好的，根據(jù)期望的關(guān)節(jié)軌跡，計(jì)算各時(shí)刻所需要施加的驅(qū)動(dòng)力矩，用軌跡跟蹤的方法控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)準(zhǔn)確跟蹤事先指定的軌跡。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于：可以對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行精確的規(guī)劃，機(jī)器人可以在驅(qū)動(dòng)器功率允許的范圍內(nèi)完成各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)雙足運(yùn)動(dòng)的精確控制；缺點(diǎn)在于：能量消耗大，效率低，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能要求較高，步態(tài)不自然，與實(shí)際人類運(yùn)動(dòng)相差較大?；诒粍?dòng)行走的雙足運(yùn)動(dòng)，一般不對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確的規(guī)劃，直接施加較簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)和控制即可實(shí)現(xiàn)行走。這種行走的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)效率高，步態(tài)自然，接近人類實(shí)際運(yùn)動(dòng)，制作相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是控制難度高，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性不容易保證，難以實(shí)現(xiàn)上下樓梯，跨越障礙物等較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。 虛擬樣機(jī)與運(yùn)動(dòng)仿真虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì)80年逐漸興起、基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)新概念。從國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù) (Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在不同定義。一般來(lái)講，虛擬樣機(jī)技術(shù)是將CAD建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(CSCW)技術(shù)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知識(shí)的推理技術(shù)、設(shè)計(jì)過(guò)程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成起來(lái)，形成一個(gè)基于計(jì)算機(jī)、桌面化的分布式環(huán)境以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的并行工程方法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行虛擬樣機(jī)制造和運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有重要的作用。本文將對(duì)鑿巖機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，制造虛擬樣機(jī)，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。虛擬樣機(jī)制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國(guó)處于國(guó)際研究的前沿，福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開(kāi)發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)(如圖10)是世界上首架以三維無(wú)紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)，它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€(gè)里程碑。圖10 777型大型客機(jī) 基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢驗(yàn)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬(如圖11)，并對(duì)其運(yùn)作進(jìn)行了合理的決策與最優(yōu)控制。虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實(shí)物樣機(jī)，通過(guò)對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了效率，本文將實(shí)現(xiàn)馬尾紗包芯紗紡紗機(jī)樣機(jī)的虛擬制造和動(dòng)態(tài)仿真。圖11 虛擬制造和動(dòng)態(tài)模擬 本文主要研究的內(nèi)容對(duì)可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷史及趨勢(shì)以及其在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的資料收集，進(jìn)行分析研究，熟悉相關(guān)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀；熟悉、理解所研究可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的概念、機(jī)構(gòu)組成原理、運(yùn)動(dòng)形式以及驅(qū)動(dòng)模式，建立該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解方程；掌握并能熟練應(yīng)用S
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