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拟人机器人运动设计及制作.doc
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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
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Abstract
Humanoid robot is a complex multi-rigid-body biped walking system,which has
multiple-input,multiple-output,strong coupling, onlinear and other characteristics.The
research on humanoid robot developed rapidly in recent years,and humanoid robot
has more human being characters.Comparing with other locomotion methods,the
supporting position can be chosen,the locomotion has the least restriction from the
environment,so the biped walking has the highest flexiblity.Since humanoid robot
copy the locomotion method from human being,it suits to human-friendly help
people or cooperate with people in the daily life and works.Studying the biped
dynamical walking of a humanoid robot is becoming one of the main focus in
rootics,if has not only important academic value but also considerable significance of
application.
This paper is taking the man kind robot as example. for elephant as It carries out
three-dimensional modelling by the professional software Pro/E . For engine,
modelling is mainly including: the entity modelling of body, the entity modelling of
leg and the entity modelling of foot.
The function of dynamics is to get the relationship between the movement and
force and the target is to satisfy the demand of real time control. in this chamfer,
Newton-Euripides method is used in analysis dynamic problem of the cleaning robot
and the arthrosis force and torque are given which provide the foundation for step
motor selecting and structure dynamic optimal thing.
At last, the research content and the achievement are sum up and the problems
and shortages in main the content are also listed. The development and application of
robot in the future is expected.
Keywords: Humanoid robot; Kinematics ;Pro/e
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目 录
摘 要 ............................................................I
Abstract ..........................................................II
目 录 ..........................................................III
第 1 章 绪 论.....................................................1
1.1 课题背景.....................................................1
1.2 国内外发展现状及发展前景.....................................2
1.2.1 国内研究现状 ...........................................2
1.2.2 国外研究现状 ...........................................3
1.2.3 机器人的未来 ...........................................3
1.3 拟人机器人运动学与动力学分析.................................3
1.4 设计与制作...................................................4
第 2 章 拟人机器人双足步行机构的数学模型...........................5
2.1 机器人的数学模型.............................................5
2.2 数学基础.....................................................5
2.2.1 位姿描述................................................5
2.2.2 齐次坐标和齐次变换......................................6
2.2.3 连杆的描述..............................................7
2.2.4 连杆坐标系..............................................8
2.2.5 运动学模型 ............................................10
2.2.6 动力学模型.............................................11
2.3 本章小结....................................................11
第 3 章 Pro/e 简介及拟人机器人的零件制造及装配 ....................12
3.1 Pro/e 系统软件介绍 ...........................................12
3.2 Pro/e 产品主要特性 ...........................................12
3.3 Pro/e 的工作平台简介 .........................................13
3.3.1Pro/e 界面介绍 ..........................................13
3.3.2 标题栏 ................................................13
3.3.3 下拉菜单栏.............................................14
3.3.4 提示区 ................................................15
3.3.5 工具栏.................................................15
3.3.6 导航区.................................................16
3.4 Pro/E 的工作模式 .............................................16
3.5 拟人机器人机构各部分零件造型和装配模型......................18
3.5.1 腰部设计 ..............................................18
3.5.2 大腿设计...............................................23
3.5.3 脚的设计...............................................25
3.5.5 拟人机器人整体装配模型 ................................28
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3.6 本章小结....................................................29
第 4 章 机器人制作................................................31
4.1 材料与型材选择..............................................31
4.1.1 机器人结构材料的选择 ..................................31
4.1.2 机器人舵机的选择 ......................................31
4.1.3 机器人 CPU 的选择 .....................................32
4.2 单片机外围接口电路..........................................33
4.4 舵机的控制方法 .........................................35
4.5 单片机端软件设计............................................35
4.6 本章小结....................................................36
结 论 ...........................................................37
致 谢 ...........................................................38
参考文献 ........................................................39
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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
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