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仿人机器人抬起重物的运动学仿真 Sim ulation of Iifting heavy weight of hum anoid robot 李 鹏，张凡凡，杨文权，韩恒恒，赵 进 LI Peng。ZHANG Fan．fan，YANG Wen．quan，HAN Heng．heng，ZHAO Jin (贵州大学机械工程学院，贵阳 550025) 摘 要：以仿人机器人运动学为基础，运用Danevit—Harteben8方法，建立了仿人机器入的运动坐标 系。将仿人机器人抬起重物的运动分解为下肢运动和上肢运动。基于人体抬起重物的实际动 作姿态，运用MATLAB Robotics Toolbox建立仿人机器人的运动学仿真模型，并对机器人 各关节角度进行轨迹规划。最后建立仿人机器人的三维模型，并运用虚拟样机软件ADAMS对 轨迹规划结果进行仿真。结果表明，对仿人机器人搬运重物的运动轨迹规划是可行的和精确 的，为仿人机器人搬运重物的后续研究提供了参考。 关键词：仿人机器人；运动学；ADAMS；MATLAB／Simulink 中图分类号：THt 1 3 文献标识码：A 文童编号：1 009-01 34(201 5)03(上)-0038-04 Doi：1 0．3969／j．issn．1 009-01 34．201 5．o3(七)．1 2 0 引言 日、美等国的学者在仿人机器人领域开展了广泛和 深入的研究，取得了较多的理论和实践成果，实现了从 静态步行到动态步行，从离线规划到实时控制，从平地 行走到斜坡、阶梯行走，从简单的双足行走机构到具有 手臂、头部以及腰部的仿人机器人的发展 】。 国内也已研制出各种步行及跑步机器人，但是这些仿 人机器人的作用多停留在表演展示阶段，缺少实际应用圜。 本文主要研究仿人机器人抬起重物的实际应用问 题。首先建立仿人机器人的动力学的运动学模型，然后 以此为基础，基于人体抬起重物的实际动作姿态，运 用MATLAB Robotics Toolbox建立仿人机器人 的运动学 仿真模型，并对机器人各关节角度进行轨迹规划。最 后建立仿人机器人的三维模型，并运用虚拟样机软件 ADAMS对轨迹规划结果进行仿真 。 1 仿人机器人的结构设计 本文设定仿人机器人结构如图l所示。腿部有三 个自由度，分别为踝关节1个自由度，膝关节一个自由 度，髋关节1个自由度；胳膊有三个自由度，分别为肩 关节两个 自由度，肘关节一个 自由度。胳膊没有腕关 节，抬起重物时，通过小臂末端挂钩于重物上设置的吊 耳将重物搬起。同时将机器人的头固定在在躯干上作为 躯体的一部分，不考虑脖子的自由度。 因为本文只考虑机器人的前向和上下运动，故踝关 节、髋关节和肩关节的外伸和旋转运动不予考虑。 Xo 图l 仿人机器人的结构 2 仿人机器人抬起重物的动作设计 要实现机器人稳定的搬运动作，必须合理的安排各 个动作顺序和各关节的运动 。在基于模型与实际情况相 吻合的前提下，为了便于分析，将搬运重物动作分解为 下蹲、搬起和站起三个阶段。根据人体搬起重物的动作 设计这个动作流程如图2所示。同时这里只考虑机器人 的前向和上下方向的运动，可以把仿人机器人简化为平 面连杆结构来分析。 图2 仿人机器人抬起重物流程 收稿日期：2014-11-18 基金项目：贵州大学研究生创新基金 (研理322014028) 作吉简介：李鹏 (1987一)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为电液系统与控制。 【38l 第37卷 第3期 2015—03(上) 学兔兔 还用MATLAB Robotics Toolbox~行轨迹规划求出各关 节的角速度、角加速度曲线。可以将六连杆机构平面化 ， ~Robaics Toolbox~境下，根据机器人的嘶 法， 建立下 肢运动坐标系。规定角度逆时针为正，顺时针为负 。 运动坐标系中每个杆件用参数采用参数alpha,A ．theta,D 来描述。其中alpha为绕轴xiJAZzi．J到zi旋转的角度 ， A为沿轴x 从轴Z̈ 到轴z的距离，meta为绕轴Zi ． ，／A~x； 到轴x|_l的角度，D为沿轴zi从轴x 到轴ẍ 的距离 。 确 定D-H坐标参数后，采用函数link【alpha A theta D sigma1 建立机器人杆件三维模型。Link函数中的simga表示关 节类型，0代表旋转关节，非0代表移动关节 。 参考 人 体搬起重物的动作，机器人下蹲时前跨一步 。 初始时 各关节姿态角ql=【0 0 0 0 0】，动作完成后各关节姿态角 q2 【。1·3769，2．7563，0．8565，一2．2359，O】。定义时fn-]t：『0： 0．0056：2】；采用函【q，qd，qdd]=jtraj(ql，q2，t)对所建模型 进行