-拟人机器人运动设计及制作.doc

- 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，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 -AbstractAbstractHumanoid 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 locomotion 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 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 three-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 to 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 content 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143.3.4 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1.1 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的实验平台。对其进行研究能够促进控制领域中新理论，新方法的产生4。（3）双足步行机器人作为步行机器的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径5。研制一种连续稳定步行的拟人型双足机器人可为机器人操作器提供灵活的操作平台，使其能够促进康复医学，仿生学，人工智能，计算机图形学，通信等相关学科的发展6。（4）拟人型双足机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，扩展人类的能力。同时在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域有着广泛的应用前景。1.2 国内外发展现状及发展前景1.2.1 国内研究现状国内双足步行机器人的研究起步较晚，开始于1988年国防科技大学对六关节平面运动型双足步行器的研究。国防科技大学的“先行者”是国内第一台拟人机器人，高1400m，重20kg，可以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。随后清华大学，哈尔滨工业大学，北京理工大学，中科院等单位都开展了双足机器人的研究，并取得了很多成果。- 1 -国内最新的研究成果是北京理工大学黄强教授79带领的团队研制的BHR-210，该拟人型机器人与日本的人形机器人外貌相似，能够打太极拳，并且能够根据地面的情况调整姿态。1.2.2 国外研究现状各国学者对双足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作，最早在1986年，英国的Mosher.R成功试制了第一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，它只有踝关节和髋关节，机器人的平衡通过操纵者对力反馈的感觉来保持，这种主从式的机械装置可以算是双足步行机构的雏形。日本在双足步行机器人的研究方面走在世界的前列，并且研发双足步行机器人的历史由来已久。日本本田公司的P2，P3的行走机器人最先进，P2能通过感应器把地面的信息传递到大脑，机器人的电脑再根据情况进行判断，进而平衡身体稳步前进。它不仅可以走平路，而且可以爬台阶和在倾斜路面上行走；不仅能推车，而且能通过严控拧螺钉。P3机器人是P2的改进型，它比P2更先进，与人类更加接近。1.2.3 机器人的未来机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。尤其是近年来，随着计算机技术的日臻完善，机器人的发展更是突飞猛进。我国在20世纪90年代开始了机器人的时代，30年来我国对于机器人的研究取得了可喜的进步，但重点仍然在工业机器人上，这成为我国机器人发展局限的一个地方。而且，虽然近年来我国在工业机器人方面发展寻思，但与发达国家相比还是很大差距，机器人研究制造技术还不成熟。如今，我国正从机器人“制造大国”向“制造强国”迈进，制造业面临巨大的挑战。不过有挑战才有机遇，相信我国机器人产业又一次腾飞必将不远。1.3 拟人机器人运动学与动力学分析拟人型机器人两足步行机构是一个复杂的多连杆机构，单脚支撑期的开链构形和双脚支撑期的闭链构形交替出现，是一个内在的不稳定系统。其动力学特性非常复杂，具有多变量，强耦合，非线性和变结构的特点，为规划其步行运动的步态和进行步行控制研究，必须透彻了解其内在的运动学和动力学特性。运动学建模的目的是确定机器人各个关节与组成机器人各个刚体之间的运动学关系，是进行步态规划的基础；动力学建模的目的是在运动学建模和步态规划的基础上，研究在拟人机器人双足行走的过程中各个连杆运动与各个关节- 3 -东北电力大学本科毕业论文驱动力矩之间的作用关系，另外，通过动力学模型可以对规划的步态进行计算机仿真以确定步态的步行特征以及各驱动关节的力矩和功率，为机器人的机构设计和控制系统的优化设计提供依据。1.4 设计与制作拟人机器人主要是实现双足行走的下肢机构，进行作业操作的上肢机构，以及安装有各种感知控制系统的上体机构组成。尽管上肢的摆臂运动及其上体的运动可以在一定程度上协助实现稳定步行，但是上肢和上体的主要功能并不是为了实现行走的，他们一般都有自己的任务，两足动态稳定步行的实现主要还是依靠下肢行走机构，将上肢和上体对步行运动的影响综合起来，一般情况下可以用一个上体连杆代替，这时，拟人机器人两足系统模型就简化了很多，对两足步行的研究更有针对性和方便。因此，本文主要针对拟人机器人两足步行机构进行建模。主要是通过Pro/e进行三维造型设计，主要设计机器人的下肢，仿真膝关节和踝关节等部件。然后在其基础上制作机器人。- 1 - 11 -第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型2.1 机器人的数学模型双足机器人是一个多变量、强耦合、具有冗余自由度的动力学系统。它也是一个复杂的多连杆机构，具有丰富的动力学特性。在自起立过程中，机器人由多处接触地面到两脚站立;在机器人侧向运动过程中，单脚支撑期的开链结构和双脚支撑期的闭链结构交替出现，摆动腿着地时与地面之间存在着冲击力等这些现象使得其数学模型具有显著的非线性和复杂性。这些因素导致对机器人很难进行精确的数学建模。为了实现稳定规划和控制，有必要深入的研究其数学模型。双足步行机器人运动学建模的目的是在给定各个关节运动的前提下，确定机器人的各个部分的运动学关系;动力学建模的目的是在运动学建模和步态规划的基础上，研究在双足步行机器人行走的过程中各个杆件之间的作用，即分析各个关节所受的力和力矩。另外，通过动力学建模可以对规划出的步态轨迹进行仿真以确定步态的步行特征以及步行机构各个关节所需要的控制力矩，为机器人机构的设计以及驱动装置的优化设计打下基础。在建立双足机器人的力学模型时，要考虑到所建立的力学模型不但要用于轨迹规划的评价，还要用于控制模型的计算，而这不是所有的建模方法都能够办得到的。控制方程应该比较适合编程，拥有较优越的控制性能高效的计算效率。考虑到这些因素，谨慎地选取建模方法是非常必要的。本章采用的基于广义坐标的建模方法，不但能方便地求解运动轨迹，而且可以直接转化为驱动电机的转角。同时为了更好的表示起立规划(不仅只具备侧向运动时具有的腿部的功能外，而且还具有在起立时需要用到的上身的功能，自由度也比侧向运动时成倍的增加)和侧向规划，本章还对这两种规划方式建立不同的模型但都用拉格朗日方程对动力学模型的分析。根据文献到文献所讲，可得到机器人建模中的数学基础。2.2 数学基础2.2.1位姿描述在机器人研究中，通常在三维空间中研究物体的位置。这里所说的物体既包括机器人各个连杆、电机及连接部件，也包括机器人工作空间内的其他物体。通常这些物体可用两个重要的特性来描述:位置和姿态。刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿，其描述方法很多，如齐次变换法、矢量法、旋转法和四元数法等。采用齐次变换法，其优点在于它将运动、变换和映射与矩阵- 5 -联系起来，可以方便的运用矩阵理论解决相关问题。一旦建立了坐标系，就能用一个3 x 1的位置矢量对坐标系中的任何点进行定位。在直角坐标系中通常用一个位置矢量表示一个点。在坐标系A中，用一个矢量来表示点P。可等价地被认为是空间的一个位置，或者简单地用一组有序的三个数字来表示，则=,，其中:,分别表示三个坐标分量。为了描述空间某刚体B的方位，另设另一直角坐标系B以某种方式固定在物体上，用坐标系B的三个单位主矢量,，相对于坐标系A的方向余弦组成的3 X 3矩阵 。=, ,来表示刚体B相对于坐标系A的方位。称为旋转矩阵。有9个元素，6个约束方程，所以只有3个元素是独立的。同时，也是正交矩阵。为了完全描述刚体B在空间的位姿，通常将物体B与某一坐标系B相固接，B的坐标原点一般选在物体B的特征点上，如质心或对称中心等。相对参考系A，由位置矢量和旋转矩阵分别描述坐标系B的原点位置和坐标轴方位。因此，刚体B的位姿可由坐标系B来描述，即 B=,当上式表示位置时，=1:当表示方位时， =0。2.2.2齐次坐标和齐次变换坐标系B的原点与A的不重合，且坐标轴方位不同，此时可以通过BP描述AP ，如(2-2)式所示: = + (2-2)定义三维空间内某点P的直角坐标和齐次坐标分别为P=x y z和p = x y z 1T = x, y,z, T (其中是非零常数)，并且规定:1 0 0 0T代表ox轴上的无穷远点;非无穷远点0 0 0 1T代表坐标原点。这样，利用齐次坐标不仅可以规定点的位置，还可以用来规定矢量的方向。当第四个元素非零时，代表点的位置;为零时，代表方向。式(2.2)所表示的复合变换对于是非齐次的，通过齐次坐标可变为:= (2-3)若仍然把齐次坐标记作和，并令:=式(2-3)即为：=，综合反映了平移变换和旋转变换，称为齐次- 7 -变换矩阵。2.2.3连杆的描述机器人可以看成由一系列刚体通过关节连接而成的一个运动链，将这些刚体称为连杆。连杆的功能在于保持其两端的关节轴线具有固定的几何关系，连杆的特征也是由这两条轴线规定的。空间中的任意两个轴之间的距离为一个确定值，两个轴之间的距离即为两轴之间的公垂线长度。两轴之间的公垂线总是存在的，当两轴不平行时，两轴之间的公垂线只有一条。当两关节轴平行时，则存在无数条长度相等的公垂线。如图2-3所示，连杆i-1是由关节轴线i-1和i之间的公垂线的长度为ai-1, ai-1即为连杆i-1的长度。也可以用另外一种方法来描述连杆参数ai-1,以关节轴i -1为轴线作一个圆柱，并且把该圆柱的半径向外扩大，直到该圆柱与关节轴i相交时，这时圆柱的半径即等于ai-1。用来定义两关节轴相对位置的第二个参数为连杆转角。如图所示，转角ai-1定义为连杆i-1的扭角，即表示为关节轴i-1和关节轴i之间的夹角。ai-1的指向规定为从轴线i-1绕公垂线转至轴线i所成的锐角。两轴线平行时，ai-1=0;两轴线相交时ai-1=0。此时ai-1指向不定。图2-1 连杆描述示意图在一个机器人系统里，所有的连杆均可以视为中间连杆或者首末连杆。中间连杆具有下述特征:假设相邻两连杆i和i一1由关节i相连，因此关节轴线i有两条公法线与它垂直，每条公法线代表一条连杆，ai-1代表连杆i-1;ai代表连杆i，如图2-4所示。两条公法线ai-1与ai之间的距离di称为两连杆间的偏置; ai-1和ai之间的夹角i称为两连杆之间的关节角。di和i都带正负号。di表示ai-1- 7 -与轴线i的交点到ai与轴线i的交点之间的距离，沿轴线i测量; i表示ai-1和ai之间的夹角，绕轴线i由ai-1到ai测量。连杆长度ai-1恒为正，扭角ai-1可正可负。 图2-2 中间连杆对于运动链两端的首末连杆，规定a0=a末=0；0=末=0。对于转动关节，1和末是可变的，约定d1=d末=0。2.2.4连杆坐标系每个连杆由是个参数ai-1，i-1，di和i来描述，ai-1和ai描述连杆i-1本身的特征; di和i描述连杆i-1与连杆i之间的联系。对于旋转关节i，仅仅i是关节变量，其它三个参数固定不变的。对于移动关节i，仅仅di是关节变量，其它三个参数是固定不变的。这种描述机构运动的方法称为D- H方法。对于一个n关节的机器人，用3n个参数可以完全表示它的运动学中固定部分，而用n个关节变量描述运动学中变动部分。为了确定机器人各连杆之间相对运动关系，在各连杆上分别固接一个坐标系。与基座固接的坐标系记为0，与连杆i固接的坐标系记为i。确定连杆坐标系的方法如下:中间连杆:坐标系i-1的Z轴Zi-1;与关节轴i-1共线，指向任意;X轴Xi-1，与连杆i-1的公垂线重合，指向由关节i- 1到关节i，当ai-1= O时，取Xi-1;Y轴Yi-1，按右螺旋法则规定，即Yi-1= Zi-1* Xi-1，原点Oi-1取在Xi-1和Zi-1的交点上。当Zi和Zi-1相交时，原点取在两轴交点上;当Zi和Zi-1平行时，原点取在di =0的地方。如图:画出连杆i-1和连杆i坐标系i-l和i的设定位姿。- 9 -首末连杆:基座标系0与基座固接，固定不动，常用它来描述机器人其它连杆的运动。基座标系0原则上可以任意规定，但为了简单起见，总是规定，当第一个关节变量为零时，0与1重合。这种规定隐含: a0=0；0=0，当第一个关节是旋转关节时，di =0；第一关节是移动关节时，1=0。末端连杆坐标系n的规定与坐标系0类似。对于旋转关节n，取Xn使得n =0时，Xn与Xn-1重合，n的原点选在使dn=0的地方。需要指出的是，连杆坐标系的设定不是唯一的，例如，虽然Zi-1与关节轴i-1一致，但是Zi-1的指向有两种选择;当Zi和Zi-1相交时，Xi-1的指向也有两种选择;当Zi和Zi-1平行时，i-l的选取也具有一定的任意性。选择不同的连杆坐标系，相应的连杆参数也会不同。 图2-3 连杆坐标系根据所设定的连杆坐标系，相应的连杆参数可定义如下：ai-1:从Zi-1到Zi沿Xi-1，测量的距离;ai-1:从Zi-1到Zi沿Xi-1旋转的角度;di :从Xi-1到Xi沿Zi测量的距离;i:从Xi-1到Xi沿Zi旋转的角度;ai-1代表连杆i-1的长度，规定ai-1 0；而ai-1，di 和i可正、可负。2.2.5 运动学模型机器人运动学主要是把机器人相对于参考坐标系的运动作为时间的解析函数进行分析研究，不考虑引起这些运动的力和力矩。尤其是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位姿之间的关系。机器人运动学的研究与空间机构学密切相关。目前研究方法有很多，有以画法几何为基础的图解法，有运用矢量分析、矩阵、二元数等数学工具的解析法。图解法发展较早，这种方法虽然简洁直观，但仅限于平面机构及某些简单的空间机构问题。双足步行机器人的运动学建模即是求解摆动脚的运动状态与各关节运动状态的数学关系。运动学建模包含正运动建模与逆运动学建模两个方面。正运动学是给定双足步行机器人各个杆件的参数和关节的运动情况，求解摆动脚相对于参考坐标系的位姿;逆运动学问题则是通过步态规划得到机器人摆动脚与上体相对于参考坐标系的位姿，求解双足步行机器人的各个关节的运动情况。即是说，运动学正问题是在给定各关节的位置、速度、加速度，求各杆件特别是末端执行器的位姿，速度、加速度和角加速度等问题;运动学逆问题是在给定末端执行器的位姿、速度、加速度等，求解能实现这些要求的各关节变量的位置、速度与加速度。机器人逆运动学问题的解和正运动学的解不同，正解是唯一的，而逆解可能是多重的，也可能不存在。只要满足以下两个条件之一(PiePer准则):1、三个相邻关节轴交于一点:2、三个相邻关节轴相互平行。逆运动学问题就具有封闭形式解，显然双足步行机器人满足这个准则。对于正运动学，可以推导出一组与机器人特定构型有关的方程，以使得将己知关节变量和连杆参数带入这些方程就能计算出机器人的位姿，然后可以用这些方程推导出机器人逆运动学方程。正逆运动学问题的关系如下图所示:图2-4 正逆运动学问题的关系2.2.6动力学模型机器人动力学是机器人机构和控制系统的设计基础，为了获得较理想的步态规划，决其步行控制问题，保证机器人的稳定行走，就必须对其动力学问题进行深入的了解和研究。机器人起立运动和侧向运动时候，为了计算机器人运动过程中各关节所受的力和力矩、分析步行的动力学稳定性和控制规律，必须建立其动力学模型，给出便于进行运动规划和实施控制问题研究的数学描述。动力学方程决定着机器人的运动规律，可以确立机器人各个杆件的力、质量和加速度与力矩、惯量和角加速度之间的关系。机器人动力学有两个相反的问题:其一是动力学的运动分析问题，即已知作用在机器人各关节的驱动力矩，求解各关节坐标的移动轨迹，称为动力学正问题。动力学正问题可以用于对规划出的步态轨迹进行动态仿真，研究步态的步行特性;其二是动力学的力分析问题，即已知与机器人运动有关的各关节坐标的轨迹，求解各关节所需要的驱动力或力矩，驱动机器人连杆和关节以期望的速度和加速度运动，保证机器人的位置精度，称为动力学逆问题。逆运动学问题有利于为拟人机器人的机构设计和驱动装置的优化打下基础，并能够在控制中用来进行非线性补偿，将机器人的非线性运动方程线性化。多自由度机械机构的建模方法很多，如 :Newton一Euler方法，还有腾森伯格方法，Katoh.A等人提出将两足机器人的动态方程看成关节杆件加速度的动态方程形式16;Tzafestas和J.Furusho等人利用势能和动能公式来直接计算lagrange方程中的矩阵和矢量17，18;Fujimoto等人采用递归形式的Newton-Euler动力学方程来获得双足机器人动力学问题迭代形式的解19，20;陈敏华则应用 6 X 6螺旋变换矩阵，直接从速度、力等旋量入手，结合Lagrange方程给出了一种关于机器人动力学模型的新方法21。2.3 本章小结1、本章介绍了本论文所用的实体双足步行机器人的特点。2、简要给出了进行双足步行机器人建模所必需的理论。3、在杆件坐标系下，基于齐次坐标变换对双足步行机器人进行了正逆运动学的建模，为后续的步态规划奠定了基础。4、介绍拉格朗日动力学方程变于对后期不同运动的简化的机器人模型分别进行了动力学分析，得到了便于控制的动力学模型。- 45 -第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配第3章 Pro/e 简介及拟人机器人的零件制造及装配3.1 Pro/e 系统软件介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。3.2 Pro/e产品主要特性Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 1参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 2基于特征建模 Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 3 单一数据库（全相关） Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。3.3 Pro/e的工作平台简介3.3.1Pro/e界面介绍 过滤区工具栏导航区绘图区提示区下拉菜单栏标题栏 图3-1 Pro/e 工作界面3.3.2 标题栏当前文件标题栏位于窗口的最上方，功能与标准Windows软件的标题栏类似。 3.3.3下拉菜单栏下拉菜单栏包括了Pro/ENGINEER 野火版3.0的重要命令，很多时候都需要使用它。在不同的模块中，下拉菜单也会有所不同。1“文件”菜单“文件”菜单是pro/e中文件和对象的操作界面。其中包含打开以及打印和输出对象的选项。2“编辑”菜单“编辑”菜单提供了更改几何元素的选项。在零件模块中，包含了用于执行特征操作和修改的命令，诸如编辑定义、编辑参照、隐含以及删除等。在草绘模块中，有移动、复制已经修剪草绘图元的选项。3“视图”菜单用来改变模型的外观和pro/e的工作区。很多视图选项可以用快捷键表示，工具栏上也可以找到这些选项。“视图”菜单中常用的视图操作选项有分解装配视图、重画视图和恢复到缺省视图。“视图”菜单中还包括重定向模型、保存视图、修改模型的颜色和外观以及改变pro/e工作区亮度的选项。4“插入”菜单“插入”菜单可用来创建传统的pro/e特征（例如拉伸、孔、基准平面、修饰螺纹等）。5“分析”菜单在“分析“菜单中可用查找装配体和零件属性的选项。例如，在”模型分析“选项中可用得到零件的质量属性。6“信息“菜单“信息“此案但提供关于pro/e对象的信息。这些信息可用从父子关系、特征、参考以及几何图形中获得。消息（例如，在再生失败中产生的错误消息）可用通过“消息日志”选项显示出来。再生失败的附加消息可以在“几何检查”选项中找到。“信息”菜单中的常用选项是“切换尺寸”，使标准以数字值或标注符号的方式显示，这个选项用于在二维显示方式间转换。7“应用程序”菜单“应用程序”菜单允许用户在pro/e模块中应用程序之间切换。例如，在零件模块和制造模块间切换。8“工具”菜单“工具”菜单用于定制pro/e的界面。“工具环境”选项是用于临时改变工作区外观的工具。很多“环境”菜单中的特征，如基准和模型显示，现在都可以在工具栏中找到。“工具”菜单提供了访问pro/e配置文件的功能。其他选项用于定制工具栏选择和创建映射建。9“窗口”菜单“窗口”菜单用于操作pro/e的窗口。窗口可以被激活、打开或关闭。在pro/e中，可以同时打开多个零件的多重窗口。为在某个菜单中工作，用户首先要做的就是激活它。已打开的窗口将显示在“窗口”菜单中，用户可以轻松的从一个对象切换的另一个对象。10“帮助”菜单Pro/e利用web浏览器访问帮助信息。要获得所有帮助信息，首先必须装入pro/ehelp CD，但是一些帮助选项必须拥有网络连接。帮助选项提供查找pro/e选项的功能，并且带有一个上下文相关帮助选项。使用上下文相关帮助来查找耽搁pro/e菜单和选项信息。3.3.4 提示区当鼠标指向特征图标时，系统会在提示栏中出现相关的简短提示，提醒用户相关的命令和所指向的特征。 图3-2 提示栏3.3.5工具栏通过上图所示的pro/e工具栏上的按钮，可以轻松地访问常用选项。缺省情况下，pro/e的初始工具栏被分为