仿人机器人腰部运动学建模、分析与控制

论文摘要

腰部机构是仿人机器人重要组成部分,它对仿人机器人运动的灵活性、平稳性起着极为关键的作用。本课题来源于当前实验室所承担的国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目：“家庭生活支援多机器人系统”（课题编号：2007AA041604）,本论文主要目的是通过对仿人机器人腰部机构建模以及运动控制研究,实现腰部机构运动的柔性、稳定性以及快速性,以期解决仿人机器人腰部与上肢轨迹规划与协调、平衡控制策略等相关控制问题。本论文首先对人体腰部运动进行分析,建立三自由度腰部机构运动模型。通过机构设计方案的比较,本论文确立以行星差动轮系作为腰部机构原型,采用“差动机构+单独运动”设计思路来设计可实现俯仰运动、侧倾运动以及扭转运动的三自由度腰部机构。在CAD软件中,完成腰部机构整体建模以及运动学、力学分析,优化机构性能。腰部机构控制系统采用上位机、下位机分层的控制策略以及指令化的控制方式。本论文选择以PC作为上位机平台,设计与开发功能强大的人机界面。高效的指令系统实现了用户要求与复杂的机器人运动控制代码之间的相互转换。接收到上位机发送的运动参数,下位机完成相应的运动控制执行。考虑到三自由度腰部机构中电机的数量较多,控制系统采用CANopen,总线协议,以主从站点的控制方式来驱动电机,并使用伺服三环PID算法,提高电机运行的精确性。对腰部与手臂构成的超冗余系统进行运动学分析。构建腰部和手臂系统坐标系,得到系统耦合联动关系式；通过对系统增加约束以及优化方程,在给定末端关节相对于基坐标系位姿的情况下,得到相应的腰部机构和手臂的关节变量。利用Matlab仿真软件,模拟腰部以及手臂运动轨迹,同时验证相应算法的正确性,并计算由腰部运动所引起的手臂工作空间扩展范围。根据以上相关研究内容,制造出符合设计要求的三自由度腰部机构,将该腰部机构运用于轮式仿人机器人。进行相关实验,包括腰部机构运动精度实验和腰部与手臂耦合联动实验,采集实验数据来论证腰部机构设计的合理性以及性能的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 研究意义
• 1.4 研究内容
• 第二章 仿人机器人腰部机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 人体腰部运动分析
• 2.3 腰部机构设计方案确定
• 2.3.1 iCub机器人腰部机构分析
• 2.3.2 基于行星轮系的差动轮系的设计
• 2.3.3 腰部整体建模
• 2.3.4 腰部机构实物构建
• 2.4 腰部机构运动分析
• 2.4.1 行星轮系的传动比计算方法
• 2.4.2 扭转运动分析
• 2.4.3 俯仰运动分析
• 2.4.4 侧倾运动分析
• 2.5 腰部机构力学性能分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于CANopen腰部机构控制系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 腰部机构控制系统构成
• 3.3 控制系统电机节点构建
• 3.3.1 电机PID调试
• 3.3.2 预定义PDO
• 3.4 控制系统主站节点构建
• 3.4.1 CANopen主站模块和其余辅助模块
• 3.4.2 CANopen主站软件系统
• 3.5 主从节点连接
• 3.5.1 软件配置
• 3.5.2 电机运行
• 3.6 上位机构建
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于几何法的手臂正逆解算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 手臂软硬件系统
• 4.2.1 手臂系统设计要求
• 4.2.2 手臂硬件组成
• 4.2.3 手臂软件架构
• 4.3 基于几何法的逆解算法前期准备
• 4.3.1 机器人手臂关节布局
• 4.3.2 各个关节连杆变换矩阵
• 4.3.3 第六关节手臂变换矩阵
• 4.3.4 第五关节坐标系原点坐标值
• 4.3.5 手臂仿真模型构建
• 4.4 基于几何法的逆解算法研究
• 4.4.1 计算第一关节变量
• 4.4.2 计算第三、五关节变量
• 4.4.3 计算第二、四关节变量
• 4.4.4 检验计算结果
• 4.4.5 计算第六关节变量
• 4.5 算法仿真与验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 机器人腰部与手臂耦合联动运动学研究
• 5.1 引言
• 5.2 机器人腰部与手臂模型构建
• 5.3 腰部与手臂耦合联动关系式
• 5.3.1 系统坐标系
• 5.3.2 腰部机构变换矩阵构建
• 5.3.3 腰部机构末端关节与手臂第一关节变换矩阵构建
• 5.3.4 耦合联动关系式
• 5.4 腰部与手臂运动学逆解算法
• 5.4.1 运动学逆解计算
• 5.4.2 算法验证
• 5.5 手臂工作空间扩展范围研究
• 5.5.1 单关节运动手臂工作空间扩展范围
• 5.5.2 所有关节运动手臂工作空间扩展范围
• 5.6 本章小结
• 第六章 腰部与手臂耦合联动实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 居家服务机器人系统介绍
• 6.3 实验研究
• 6.3.1 三自山度腰部机构运动精度实验研究
• 6.3.2 腰部与手臂耦合联动实验研究
• 6.4 实验小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读硕士学位期间所参与的项目
• 致谢