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1、- 1 -摘 要毕业设计论文姓 名： 学 号： 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 拟人机器人运动设计及制作 指导老师： 2014 年 6 月 - 1 - 1 - 1 -摘 要摘 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
2、，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- 1 -AbstractAbstrac
3、tHumanoid 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 loc
4、omotion 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
5、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 th
6、ree-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 t
7、o 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 c
8、ontent 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- 1 - II - 目 录 目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 国内外发展现状及发展前景21.2.1 国内研究现状
9、21.2.2 国外研究现状31.2.3 机器人的未来31.3 拟人机器人运动学与动力学分析31.4 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52.1 机器人的数学模型52.2 数学基础52.2.1位姿描述52.2.2齐次坐标和齐次变换62.2.3连杆的描述72.2.4连杆坐标系82.2.5 运动学模型102.2.6动力学模型112.3 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123.1 Pro/e 系统软件介绍123.2 Pro/e产品主要特性123.3 Pro/e的工作平台简介133.3.1Pro/e界面介绍133.3.2 标题栏133.3.3下拉菜单栏1
10、43.3.4 提示区153.3.5工具栏153.3.6导航区163.4 Pro/E的工作模式163.5 拟人机器人机构各部分零件造型和装配模型183.5.1 腰部设计183.5.2大腿设计233.5.3脚的设计253.5.5 拟人机器人整体装配模型283.6 本章小结29第4章 机器人制作314.1 材料与型材选择314.1.1 机器人结构材料的选择314.1.2 机器人舵机的选择314.1.3 机器人CPU的选择324.2 单片机外围接口电路334.4舵机的控制方法35 4.5 单片机端软件设计354.6 本章小结36结 论37致 谢38参考文献39 III 第1章 绪 论第1章 绪 论1.
11、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
12、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
13、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
14、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- 1 -人的命令或按照所处的环境，自行做出决策，规划动作，完成任务。国内外都在进行第三代机器人的探索和研究，这类机器人主要有装配机器人，外层空间机器人，资源开发机器人，拟人机器人和军事机器人1。世界著名机器人学专家，日本旱稻田大学的加一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”2。步行是人与大多数生物所具有的移动方式，包括双足步行，四足和六足步行，其中双足步行是各种步行方式中自动化程度最高，最为复杂的。双足步行机器人作为一种移动式机器人，它与轮式，履带式机
15、器人相比更适应各种地面，并具有较强的逾越障碍的能力；另外步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式机器人，即能耗较小双足步行机器人是多门基础学科，多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。它不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产，生活中有着广泛的用途。研究双足步行机器人的科学意义主要有如下几点：（1）双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其他步行结构所无法比拟的3。两足机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化，同时有力推进机器人学及其他相关学科的发展。（2）两足步行机器人是工程上少有的高阶，非线性，非完整约束的多自由度，多变量，强耦合和变结构复杂动力学系统，其动态平衡问题为机器人运动学，动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想
