基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

仿人机器人上下肢摆动规律研究

研究了仿人机器人上下肢摆动参数对步行能耗的影响,进而提出了实现仿人机器人低能耗行走的肢体摆动策略。通过将四肢抽象成单摆,建立了机器人的简化模型,据此求解机器人行走时所受的转身力矩;用非小角度假设情况下单摆摆角的近似解来描述四肢摆动角的变化规律,并分析了步行运动时的能耗机理,给出了简化模型下计算功耗的方法。以某仿人机器人模型为算例,研究了肢体摆动频率对机器人行走功耗的影响;提出了在给定行走速度时,保证机器人转身力矩在一定范围内变化的前提下,省能量的上下肢摆动幅度/频率的规划策略。仿真计算表明,采用文中提出的肢体摆动规律有利于降低仿人机器人的行走功耗。     

仿人机器人步行运动学建模与仿真

为研究仿人机器人步行、跑动和跳跃等技术问题,并实现仿人机器人在复杂非结构的人类生活环境中的应用。建立了刚柔耦合的仿人机器人系统;用D-H坐标变换法建立数学模型并得出正逆运动学公式及其解析解;规划出机器人稳定无冲击的行走步态,将Solidworks实体模型导入虚拟样机Adams中进行运动仿真,仿真结果与规划步态基本一致,验证了所建立的数学模型和实体模型的正确性,为仿人机器人动力学分析和步态优化提供了研究平台。     

仿人机器人平地行走步态规划与仿真

为研究仿人机器人的平地行走运动,首先,根据人体结构特点和运动特征,并基于二维倒立摆原理,规划机器人平地行走过程中质心和摆动腿踝关节的运动轨迹;其次,通过建立机器人支撑腿和摆动腿的几何模型,对前向、侧向运动中两条腿所涉及的10个自由度的运动进行规划;进一步,根据逆运动学求解各关节角的运动轨迹,利用仿真软件ADAMS建立仿真模型,并进行平地行走虚拟仿真。仿真结果验证了文中所采用的步态规划方法的可行性,同时也验证了机器人结构设计和电机选型的合理性,为机器人样机的研制提供了理论依据。     

基于Simmechanics仿人机器人下肢的能耗分析

在对下肢动力学分析的基础上,建立符合人体运动特点的仿人机器人下肢模型,根据人体动力学方程,在机械仿真模块中建模。利用惯性动作捕捉系统和数据采集软件对人体下肢关节角度信号进行采集。基于仿真模型进行能量流动特性研究和行走能量效率计算。通过比较仿真测得的生物力学信息与计算值的吻合程度验证模型的合理性,建立能量流动方程,实现高效行走步态分析。建立的仿真模型和能量流动方程能够为设计高性能的仿人机器人提供借鉴。     

大型17R“加藤一郎”机器人仿人行走控制研究

针对大型17R"加藤一郎"结构双足机器人仿人行走控制问题,从仿人机器人的机械结构、控制系统、步态仿真、动力学参数等方面对机器人的影响进行了研究,采用仿生学原理,参考了人体上、下半身比例特点,对机器人的机械结构进行了设计;对机器人控制系统进行了设计,提出了一种基于DSP+FPGA的主控系统,将多CPU协同工作、分布式远程控制技术应用到仿人机器人行走控制中;利用人类行走过程中各关节的转动参数为输入的控制方法,在ADAMS上进行了步态行走试验,分析了动力学参数对机器人步态的影响。研究结果表明,以人类行走方式控制机器人步态行走,机器人行走步态稳定可行,可应用于大型双足步行机器人步态行走控制。     

仿人机器人双单脚支撑转换时的消振研究

双单脚支撑转换时的冲击振动是影响仿人机器人稳定行走的重要因素。基于振动方程的特性和系统的稳定性分析了减振的设想和措施，并运用基于ANSYS平台所建立的THBIP-Ⅰ型仿人机器人精确的有限元弹性动力学模型，进行仿真分析比较，并加以实验验证。结果证明，有限元分析法是研究仿人机器人缓冲减振的一种有效途径，所获得的结论能够为实现高品质的快速步行及控制规律提供有效的指导。     

基于遗传算法优化的仿人足球机器人步态规划研究

针对机器人足球比赛的特点及实现仿人足球机器人稳定快速步行的要求,提出了一种基于遗传算法优化的步态规划方法。首先,分析了仿人足球机器人一个完整步行周期的运动过程,根据步行中髋关节运动连续和踝关节运动间断的特点,分别采用三次样条插值与高次多项式插值进行了轨迹插值;其次,以零力矩点（ZMP）稳定裕度为参数构造了目标函数;最后,利用遗传算法（GA）对规划的步态进行了优化,从而得到了ZMP稳定裕度相对较大的稳定步态。仿真结果表明,该方法规划的步态能实现仿人足球机器人更稳定地步行。     

仿人机器人抬起重物的运动学仿真

以仿人机器人运动学为基础,运用Danevit-Hartebeng方法,建立了仿人机器人的运动坐标系。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。     

基于步行单元组合的双足动步行样本生成方法

仿人双足机器人的动步行需要考虑机器人的动力学特性,规划起来较为复杂。为了减少生成机器人步行样本时的计算量,本文提出了基于步行样本单元组合的运动样本生成方法。通过对步行运动进行分析,得到构成步行运动的基本单元;通过样本组合方法生成了含有后退步行的步行运动样本,仿真平均步速达到1.607 km/h。