仿人机器人的设计与实现_宫赤坤

Abstract Each joint of robot is reasonably arranged to completely design the humanoid robot mechanism according to the request of humanoid robot function。A D- H coordinate method is used in coordinate system selection, pos-i tion descript ion and coordinates transformation, the humanoid robot kinematics equation is established to solve the positive and inverse solut ion. The model established by the Pro/ E is imported into ADAMS to run the virtual prototype simulat ion. The comparison between the kinematics simulation results through the postprocessor and the calculation results can provide scient ific basis for the manufacture of physical prototype.
上下楼梯和做俯卧撑等功能。
2 仿人机器人运动学
仿人机器人在行走过程中, 由于手臂和腿分别相
当于机械臂, 因此求解手臂各关节与手末端的关系和
腿各关节与脚末端的关系, 就要确定手臂各关节、腿各
关节各自之间的相对运动和位姿关系, 可根据 Denavit - Hartenberg[ 7] 方法在双腿 末端中间位置 固结一个坐 标系, 图 2 表 示出了
Key words Humanoid robot D- H Coordinates Kinemat ics Virtual prototype
0 引言
仿人机器人的研制开始于 20 世纪 60 年代末, 虽 然只有四十多年的历史, 然而仿人机器人的研究工作 进展迅速, 吸引了大批科技工作者参与其中, 特别是近 十年, 随着各种高技术的迅速发展, 这一领域的研究取 得了长足的进步[ 1] 。1968 年, 美国的通用电气公司试 制了一台叫 Rig 的操纵型双足步行机器人机械, 从而 揭开了仿人机器人研制的序幕。世界第一台真正意义 上的仿人机器人, 是日本 Honda 公司于 1996 年 12 月 推出的, 日本京都的先进通信研究所开发了世界上第 一个能在两轮基座上自平衡的仿人机器人。日本索尼 公司于 2000 年 推出的 紧凑型 仿人 机器人 SDR- 3x。 韩国科学技术学院 Hwang 等人研究了仿人机器人系统 centaur, 新加坡南洋理工大学的研究人员设计开发了 仿人服务机器人 JINGANG, 美国佛罗里达大学的机器 智能实验室开发了仿人机器人 Pneuman[ 2] 。我国在仿 人形机器人方面做了大量研究, 并取得了很 多成果。
1、2、3、4、5、6、7 依次串联构成右腿各关节坐标系; 从基 坐标系即 0 坐标系开始经过 1、2、14、15、16、17 依次串
联构成右手臂各关节坐标系。根据已建立的仿人机器
人腿部 D- H 坐标系, 先用变换矩阵ii- 1 T 建立相邻两 腿关节之间的相对位姿关系; 然后将各变换矩阵相乘
就得到手末端姿态矩阵 R 及手末端在 X 轴、Y 轴及 Z 轴上的坐标 Px、Py 、Pz , 脚末端姿态矩阵 Rc及脚末端
0
6
H6
0
- 44
90
7
H7
55
- 16
180
坐标系 1 相对于坐标系 0 的各个 DH 参数是由髋 关节的轨迹给出的, 根据表 1 和表 2 所示的 DH 参数, 由齐次变换矩阵公式, 可求得右手臂和右腿各坐标系 的齐次变换矩阵, 将各个关节变换矩阵相乘便得到右 手臂变换矩阵017 T 和右腿变换矩阵 Ai
仿人机器人腿部的 D
- H 坐标 系, 各坐标
系的原点 O i 为关节 i 的轴线和相邻关节间
公垂线 ai 的交点, X i 轴和公垂线 ai 重合, Zi 轴和关节 i 的轴线
重合, 而 Yi 可以用右 手螺旋 法则来 确定。
从基坐标系如图 2 中
的 0 坐标系( 放地上 两腿中间) 开始经过
图 2 仿人机器人 D- H 坐标系
90
14
H14+ 90
0
34. 5b
- 90
15
H15
26
0b
- 90
16
H16
0
- 53
0
17
H17
0
- 110
0
表 2 仿人机器人右腿的 DH 参数
H/ (b)
di
ai
Ai / (b)
1
H1
d1
a1
A1
2
180
0
- 33. 5
90
3
H3+ 90
0
- 44
- 90
4
H4
0
- 53
0
5
H5
0
- 55
A 1 和末端位姿 T
用 Ai 的逆变换左乘式( 2) 的两边可得
第 37 卷 第 05 期
仿人机器人的设计与实现
45
A
3
1
A
2
1A
1
1
T=
A4 A5 A6 A7
根据左右两边矩阵相等, 可知各元素对应相等从
而求得 H3
H3= atan( ax / az )
同理取合适的 Ai 逆变换左乘方程两边可求得
1 个 自由 度。行 走机
构包括 腿部和 足部,
腿部由大腿和小腿组
成。下肢 共 10 个自
由度, 其中, 髋关节 2
个自由 度, 膝 关节 1
个自由 度, 踝 关节 2 个自由度。仿人机器
人的手臂和腿的结构
及参数 相同, 且关于 躯体坐标系的平面对
称分布。仿人机器人 能够实现前进、转弯、
图 1 仿人机器人机构图
H6= acos[ -
1 2
ax cos
( H5+
H4 - H3) +
1 2
ax cos
(
H5
+ H4+ H3) - cos ( H5+ H4) ay -
1 2
az sin
(
H5+
H4+
H3) -
1 2
az sin
(
H5+
H4-
H3) ]
用同样的方法可求的右手臂的各关节的逆解
H14= atan( ax / az )
nx Ox ax Px
0 17
T
=
A1 A2 A 14A 15A 16 A17=
ny
Oy
ay
Py
( 1)
nz Oz az Pz
0 001 nxc Oxc axc Pxc
0 7
T=
A1 A2 A3 A4 A5 A 6A 7=
nyc Oyc ayc Pyc ( 2)
nzc Ozc azc Pzc
0 001 仿人机器人的逆运动学求解就是已知腰部或末端
1 仿人机器人机械结构设计
在 Pro/ E 中仿照人的结构对双足仿人机器人进行
44
机械传动
2013 年
了设计, 共 17 个自由度。整体造型如图 1 所示, 仿人
机器人由头部、上肢、躯干和下肢组成, 其中, 头部有 1
个自由度, 能实现摆动功能, 可布置视觉装置。上身有
6 个自由度, 肩关节有俯仰和横滚两个自由度, 肘关节
的期望轨迹变化, 求解出满足此轨迹变化的各个转动
关节的转动角度问题。在仿人机器人的步态规划的各
种方法中, 最常用的方法就是先分别设定腰部和末端 的运动轨迹变化, 以此来计算求解转动角度, 为了便于
计算将手臂和腿分成两个分别具有 4、5 个自由度的开
链的机械结构。
以右腿为例来求解逆运动学问题。已知髋部位姿
a 2z +
a
2 x
a2z
1
2
-
a
2 x
+
[-
-
a2z -
a
2 x
+
n2x a2z-
2nxazax nz +
a2xn
2 z
a2z + a2x
1 2
a2z] }
H5= - H4+ atan{ [ - cos( H7) ay + nz cos( H3) ] /
[ cos( H7) ax sin( Hz) + cos( H7) azcos( Hz ) + nx cos( Hz ) + ny ] }
在仿真完成后可以从 ADAMS/ postprocessor 中得到 仿人机器人双腿和双手末端在 X 、Y、Z 三个方向上的 整个运动过程中位移变化曲线。左腿和右手末端轨迹 变化曲线分别如图 4 和图 5 所示, 髋关节轨迹变化曲 线如图 6 所示。
图 4 前进运动左腿末端轨迹( X 、Y、Z 方向)
比如国防科技大学研制成了双足步行机器人( 先行者 号) , 北京航空航天大学研制成了多指灵巧手, 中国科 学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、清华大学、上海 交通大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的 工作[ 3] 。本文中我们利用刚体动力学软件 ADAMS[ 4] 对导入的仿人机器人三维实体模型进 行了运动学仿 真, 并对指定的点和角度进行了测量, 得出了机器人在 运行时的曲线, 并且对曲线进行了分析。其中步态的 驱动曲线被验证可行, 且在整个运动过程中表现十分 流畅, 符合机器人行走要求[ 5] , 整个仿真结果证明了机 器人结构的正确性和合理性。通过仿真获得了虚拟机 械系统 静 力学、运动 学和 动 力学 等 特 性, 文 中利 用 ADAMS 软件对仿人机器人进行虚拟仿真分析[ 6] , 过程 简单和直观, 提高了产品设计质量, 大幅度缩短产品开 发周期与研发费用, 并为同类型设计提供了帮助。