仿人机器人仿真若干问题的研究

论文摘要

利用仿真平台描述仿人机器人的物理模型,并模拟机器人的动力学特性；对于改进其运动规划方法以及机器人快速原型化都有重要的意义。本文研究了组件型数字化样机建模理论,并针对仿人机器人实现了一个专门用于仿人形机器人三维仿真系统。主要包括以下几方面内容：1、论述了组件型数字化样机建模理论的基本概念,并且针对仿人机器人的建模问题,设计了一种三维组件型数字化建模的层次模型和装配方案。该模型中的数据结构包含了质量、速度、加速度、受力、力矩等信息,用于描述并预测复杂多体系统的运动学、动力学性能等。2、仿人机器人运动学仿真模型。根据机器人运动学的基本要求,运用正运动学原理和逆运动学原理,确定了仿人机器人的运动轨迹,实现了递推形式的仿人机器人运动学求解算法。3、仿人机器人动力学仿真模型。根据机器人动力学的基本要求,运用正动力学原理和逆动力学原理,确定了仿人机器人的力矩变化,并实现了递推形式的仿人机器人动力学求解算法。4、仿人形机器人的步态规划。根据三维倒立摆模型原理设计的三维步行模式的生成原理,结合遗传算法和样条插值方法以及逆运动学原理系统论述了针对仿人机器人基于三维倒立摆的步态规划方案。通过Matlab、VC++、OpenGL的协同仿真平台,对该步态规划提供了3D仿真数据。5、机器人局部路径规划。提出一种新的命名为类双曲壳的数学模型,建立了类双曲壳边界构造算法,并以此进行了局部路径仿真试验。通过Matlab和VC++对复杂路径的采样点建立局部类双曲壳边界,从而得到了可以以直线匀速通过的局部路径。在仿真实验中,利用OpenGL技术建立了高效的图形动画显示系统,设计了友好的用户界面。并在Visual C++和Matlab协同仿真环境下进行了仿人形机器人仿真实验,实验结果基本达到了预期的效果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 发展现状
• 1.3 实现技术与方法
• 第2章 组件型数字化样机建模理论及其仿人机器人中的应用
• 2.1 仿真领域中的组件技术
• 2.2 组件形数字化样机建模的要求
• 2.3 面向数字化样机信息模型的概念
• 2.3.1 分层次的模块信息的概念
• 2.3.2 数字化装配信息的概念
• 2.4 仿人机器人的模块信息
• 2.4.1 仿人机器人的几何信息
• 2.4.2 仿人机器人的各连杆的显示层信息
• 2.5 仿人机器人数字化样机装配信息
• 2.5.1 连杆装配关系
• 2.5.2 连杆的装配信息
• 2.6 仿人机器人基于SIMPACK仿真的讨论
• 2.6.1 仿人机器人SIMPACK仿真的步骤
• 2.6.2 SIMPACK与MATLAB软件的协同仿真
• 第3章 仿人机器人三维仿真系统的研究与实现
• 3.1 CAD接口模块
• 3.1.1 3DS文件读取接口
• 3.1.2 几何信息的处理过程
• 3.2 Matlab接口模块
• 3.2.1 VC++与MATLAB接口方法概述
• 3.2.2 MATLAB引擎方式接口函数
• 3.2.3 仿人机器人三维仿真系统Matlab引擎实现过程
• 3.3 三维场景的全方位观测模块
• 第4章 仿人机器人递推形式的运动学模型及其算法
• 4.1 仿人机器人的正运动学分析
• 4.1.1 仿人机器人的关节转换矩阵
• 4.1.2 仿人机器人的正运动学递推算法
• 4.2 人机器人的逆运动学分析
• 4.2.1 雅可比矩阵及其求解算法
• 4.2.2 仿人机器人的逆运动学数值算法
• 第5章 仿人机器人递推形式的动力学模型及其算法
• 5.1 仿人机器人的逆动力学分析
• 5.1.1 考虑空间速度的正运动学
• 5.1.2 仿人机器人的逆动力学递推算法
• 5.2 仿人机器人的正动力学分析
• 5.2.1 仿人机器人的正动力学递推算法
• 5.2.2 仿人机器人的正动力学塌落动作的仿真结果
• 第6章 基于三维倒立摆的步态规划
• 6.1 引言
• 6.2 三维步行模式的生成
• 6.2.1 步行单元
• 6.2.2 步行参数
• 6.2.3 落脚点的调整
• 6.3 基于三维倒立摆模型的步行模式仿真
• 6.3.1 理论初始速度的步行模式仿真
• 6.3.2 试凑初始速度的步行模式仿真
• 6.4 基于三维倒立摆模型的步行模式遗传算法优化仿真
• 6.4.1 遗传算法简介
• 6.4.2 Matlab遗传算法工具箱
• 6.4.3 遗传算法工具箱应用实例
• 6.4.4 遗传算法优化初始速度的步行模式仿真
• 6.5 基于三次样条插值的游脚运动轨迹
• 6.5.1 直接确定游脚轨迹的解析数学模型的讨论
• 6.5.2 三次样条插值确定游脚轨迹方法的讨论
• 6.6 腿部运动的逆运动学解析法求解
• 6.6.1 腿部运动的逆运动学解析解有解的论证
• 6.6.2 腿部运动的逆运动学解析求解过程
• 6.6.3 腿部运动的逆运动学解析求解算法
• 6.7 基于三维倒立摆模型的步态规划仿真
• 6.7.1 确定三维步行模式
• 6.7.2 确定游脚轨迹
• 6.7.3 确定腿部各关节角度
• 第7章 基于类双曲壳的局部路径规划
• 7.1 引言
• 2中的类双曲壳'>7.2 射影平面RP²中的类双曲壳
• 2中的凸集'>7.2.1 射影平面RP²中的凸集
• 2中类双曲壳的概念'>7.2.2 射影平面RP²中类双曲壳的概念
• 2中的类双曲壳'>7.3 有向射影空间T²中的类双曲壳
• 7.3.1 变换矩阵A
• ∞的反象'>7.3.2 无穷远直线L_∞的反象
• 7.3.3 极点序列的走向
• 7.3.4 区域的投影
• 7.4 类双曲壳PHH（A）的可视性
• 7.4.1 支撑线
• 7.4.2 可视宽度
• 7.5 类双曲壳边界的实时构造算法
• 7.6 机器人路径规划实例
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢