具有2DOF腰部仿人机器人的工作空间和运动规划研究
发布时间：2021-01-04 05:58
仿人机器人是一种外观与人相似,具有移动功能、感知功能、操作功能的智能机器人,它不仅能够独立完成操作任务,还能与人类协作完成操作任务。仿人机器人移动平台在到达指定位置后,操作任务主要依靠仿人机器人高灵活的臂腰系统来完成。由于臂腰系统具有高冗余的特性,如何实现其高灵巧的操作运动规划,以避免操作过程中增加约束限制而导致任务失败是其研究的重点。此外,在臂腰关节传动链内含有谐波减速器等柔性元器件,使得关节具有柔性,从而导致仿人机器人在运动中会发生不可避免的振动,而过大的振动会导致操作任务失败。因此,仿人机器人运动中的振动必须加以抑制。为完成仿人机器人的设计,本文首先分析了仿人机械臂及仿人头部的参数,并结合自上而下的设计顺序与仿人机器人操作任务,确定了仿人机器人腰部设计需求。然后,通过人类腰部运动特征分析,确定了仿人机器人腰部自由度及其构型。在设计了腰关节机械机构、内部传感器系统分布、电气系统及保护措施后,通过参数辨识实验,确定了腰关节的控制参数。最后,通过腰部连接仿人机器人其余部分,完成了仿人机器人系统设计。将仿人机器人主要尺寸参数与成人尺寸参数进行对比,结果表明仿人机器人整体尺寸相对协调。通过...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
NASA仿人机器人
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-佐治亚理工学院的Domo[9]和Cody[10]，美国马萨诸塞大学的Ubot[11]，WillowGarage公司的仿人机器人PR2[12]。这些仿人机器人具有一个明显的共同点，即在设计中均采用了轮式移动平台代替了仿人双足机构，使得机器人系统稳定性更好，便于专注研究其上肢的操作能力。为探索使用仿人机器人代替人类执行空间站操作任务，俄罗斯宇航局研发了仿人机器人SkybotF850，如图1-2所示。图1-2俄罗斯仿人机器人Fig.1-2SkybotF850SkybotF850可以通过内置程序实现与人类交互操作，也可以通过操作者使用可穿戴装置实现遥操作。与Robonaut类似的应用目的，设计SkybotF850是为了到国际空间站执行实验任务。不同的是，SkybotF850是第一个采用人类宇航员升空的方式进入空间站，通过坐在特定座位固定自身，在其发射前，发射中及进入轨道时报告飞行参数和观测飞行器内部状态。随着联盟号宇宙飞船，SkybotF850进入了国际空间站，进行了为期2周的空间任务，实现了电气连接任务并尝试使用了电钻工具，完成空间任务的SkybotF850又跟着联盟号宇宙飞船成功返回了地球。德国仿人机器人的灵巧操作一直处于世界领先地位，其研究主要以地面机器人系统为主。德国宇航中心（DLR）设计的仿人上半身系统Justin是目前最灵巧的仿人机器人之一，如图1-3所示[13]。DLR展示了Justin可以完成的诸如搬运垃圾篓，倒茶、接飞球、挖冰淇淋等复杂操作。Justin的下肢采用了具有4个可伸缩轮结构的移动平台，通过伸缩轮结构扩展其支撑面，实现了机械臂操作过程中的稳定支撑。后续研究中，为了更好实现拟人的下肢移动能力，DLR设计了双足版本的仿人机器人TORO[14]。2010年汉诺威工业展中，机器人创新中心DFKIBremen展出了女性仿人机器人AILA[15]，如下图1-4?
第1章绪论-5-的操作稳定性。图1-3Justin仿人机器人Fig.1-3Justinhumanoidrobot图1-4女性机器人AILAFig.1-4RoboticsystemAILA除此之外，德国知名的仿人机器人还有慕尼黑工业大学的机器人Rosie[16]、德国卡尔斯鲁厄理工大学的机器人ARMAR[17]。这些机器人在初期设计中都采用了轮式移动平台作为上身的支撑，主要是因为其研究侧重于仿人机器人上肢的操作能力，从而更好地实现与人机交互。尽管一些机器人外观并不完全拟人，为便于实现类似人类的操作功能，在设计过程中一般要求仿人机器人的工作空间尽可能与人类相匹配，即具有与人类类似的运动机构和参数。日本作为制造业强国，在仿人机器人领域一直是主要的引领者之一。本田公司研制的系列仿人机器人ASIMO一直是电机驱动仿人机器人的典范，如图1-5所示。图1-5阿西莫系列仿人形机器人Fig.1-5ASIMOhumanoidrobots在一系列的展示视频中，最令人惊叹的莫过于ASIMO[18]的移动能力。作为缩小版的P系列仿人机器人[19,20]，最新一代的ASIMO高为130cm，重量达54kg，全身具有34个独立自由度实现运动与操作能力。设计者在其内部集成了双手足、双目视觉和语音识别等系统，成功实现过端盘子的操作功能、同时也展现过导引及跑跳等功能，最为难得的是其还展现过流畅的踢足球能力。可以看出
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于最优控制的仿人机器人行走振动抑制[J]. 易江,朱秋国,吴俊,熊蓉. 机器人. 2018(02)
[2]面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展[J]. 吴伟国. 哈尔滨工业大学学报. 2015(07)
[3]漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制[J]. 谢立敏,陈力. 机械工程学报. 2015(01)
[4]基于粒子群优化的刚柔混合机械臂振动抑制规划[J]. 徐文福,徐超,孟得山. 控制与决策. 2014(04)
[5]仿人机器人综述[J]. 徐莉,刘振方,王建丞,罗志强. 黑龙江科学. 2013(07)
[6]机器人工作空间求解的蒙特卡洛法改进[J]. 刘志忠,柳洪义,罗忠,张秀珩. 农业机械学报. 2013(01)
[7]基于双目视觉的双臂作业型服务机器人的研制[J]. 李瑞峰,胡雨滨,赵立军,葛连正,刘广利. 机械设计与制造. 2010(04)
[8]基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J]. 赵燕江,张永德,姜金刚,邵俊鹏. 机械科学与技术. 2009(12)
[9]一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法[J]. 祖迪,吴镇炜,谈大龙. 机械工程学报. 2005(06)
[10]主动约束层阻尼板的振动控制研究[J]. 刘天雄,石银明,华宏星,陈兆能,史习智. 机械强度. 2002(01)
博士论文
[1]机器人灵巧手的物体触摸识别及自适应抓取研究[D]. 顾海巍.哈尔滨工业大学 2017
[2]面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究[D]. 霍希建.哈尔滨工业大学 2016
[3]面向任务的全维移动双臂机器人运动规划方法研究[D]. 邱长伍.上海交通大学 2010
硕士论文
[1]仿人型灵巧手拇指灵巧性设计方法的研究[D]. 王海荣.哈尔滨工业大学 2012
[2]机器人宇航员头部结构设计及其目标追踪控制方法研究[D]. 杨扬.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2956279
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
NASA仿人机器人
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-佐治亚理工学院的Domo[9]和Cody[10]，美国马萨诸塞大学的Ubot[11]，WillowGarage公司的仿人机器人PR2[12]。这些仿人机器人具有一个明显的共同点，即在设计中均采用了轮式移动平台代替了仿人双足机构，使得机器人系统稳定性更好，便于专注研究其上肢的操作能力。为探索使用仿人机器人代替人类执行空间站操作任务，俄罗斯宇航局研发了仿人机器人SkybotF850，如图1-2所示。图1-2俄罗斯仿人机器人Fig.1-2SkybotF850SkybotF850可以通过内置程序实现与人类交互操作，也可以通过操作者使用可穿戴装置实现遥操作。与Robonaut类似的应用目的，设计SkybotF850是为了到国际空间站执行实验任务。不同的是，SkybotF850是第一个采用人类宇航员升空的方式进入空间站，通过坐在特定座位固定自身，在其发射前，发射中及进入轨道时报告飞行参数和观测飞行器内部状态。随着联盟号宇宙飞船，SkybotF850进入了国际空间站，进行了为期2周的空间任务，实现了电气连接任务并尝试使用了电钻工具，完成空间任务的SkybotF850又跟着联盟号宇宙飞船成功返回了地球。德国仿人机器人的灵巧操作一直处于世界领先地位，其研究主要以地面机器人系统为主。德国宇航中心（DLR）设计的仿人上半身系统Justin是目前最灵巧的仿人机器人之一，如图1-3所示[13]。DLR展示了Justin可以完成的诸如搬运垃圾篓，倒茶、接飞球、挖冰淇淋等复杂操作。Justin的下肢采用了具有4个可伸缩轮结构的移动平台，通过伸缩轮结构扩展其支撑面，实现了机械臂操作过程中的稳定支撑。后续研究中，为了更好实现拟人的下肢移动能力，DLR设计了双足版本的仿人机器人TORO[14]。2010年汉诺威工业展中，机器人创新中心DFKIBremen展出了女性仿人机器人AILA[15]，如下图1-4?
第1章绪论-5-的操作稳定性。图1-3Justin仿人机器人Fig.1-3Justinhumanoidrobot图1-4女性机器人AILAFig.1-4RoboticsystemAILA除此之外，德国知名的仿人机器人还有慕尼黑工业大学的机器人Rosie[16]、德国卡尔斯鲁厄理工大学的机器人ARMAR[17]。这些机器人在初期设计中都采用了轮式移动平台作为上身的支撑，主要是因为其研究侧重于仿人机器人上肢的操作能力，从而更好地实现与人机交互。尽管一些机器人外观并不完全拟人，为便于实现类似人类的操作功能，在设计过程中一般要求仿人机器人的工作空间尽可能与人类相匹配，即具有与人类类似的运动机构和参数。日本作为制造业强国，在仿人机器人领域一直是主要的引领者之一。本田公司研制的系列仿人机器人ASIMO一直是电机驱动仿人机器人的典范，如图1-5所示。图1-5阿西莫系列仿人形机器人Fig.1-5ASIMOhumanoidrobots在一系列的展示视频中，最令人惊叹的莫过于ASIMO[18]的移动能力。作为缩小版的P系列仿人机器人[19,20]，最新一代的ASIMO高为130cm，重量达54kg，全身具有34个独立自由度实现运动与操作能力。设计者在其内部集成了双手足、双目视觉和语音识别等系统，成功实现过端盘子的操作功能、同时也展现过导引及跑跳等功能，最为难得的是其还展现过流畅的踢足球能力。可以看出
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于最优控制的仿人机器人行走振动抑制[J]. 易江,朱秋国,吴俊,熊蓉. 机器人. 2018(02)
[2]面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展[J]. 吴伟国. 哈尔滨工业大学学报. 2015(07)
[3]漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制[J]. 谢立敏,陈力. 机械工程学报. 2015(01)
[4]基于粒子群优化的刚柔混合机械臂振动抑制规划[J]. 徐文福,徐超,孟得山. 控制与决策. 2014(04)
[5]仿人机器人综述[J]. 徐莉,刘振方,王建丞,罗志强. 黑龙江科学. 2013(07)
[6]机器人工作空间求解的蒙特卡洛法改进[J]. 刘志忠,柳洪义,罗忠,张秀珩. 农业机械学报. 2013(01)
[7]基于双目视觉的双臂作业型服务机器人的研制[J]. 李瑞峰,胡雨滨,赵立军,葛连正,刘广利. 机械设计与制造. 2010(04)
[8]基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J]. 赵燕江,张永德,姜金刚,邵俊鹏. 机械科学与技术. 2009(12)
[9]一种冗余机器人逆运动学求解的有效方法[J]. 祖迪,吴镇炜,谈大龙. 机械工程学报. 2005(06)
[10]主动约束层阻尼板的振动控制研究[J]. 刘天雄,石银明,华宏星,陈兆能,史习智. 机械强度. 2002(01)
博士论文
[1]机器人灵巧手的物体触摸识别及自适应抓取研究[D]. 顾海巍.哈尔滨工业大学 2017
[2]面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究[D]. 霍希建.哈尔滨工业大学 2016
[3]面向任务的全维移动双臂机器人运动规划方法研究[D]. 邱长伍.上海交通大学 2010
硕士论文
[1]仿人型灵巧手拇指灵巧性设计方法的研究[D]. 王海荣.哈尔滨工业大学 2012
[2]机器人宇航员头部结构设计及其目标追踪控制方法研究[D]. 杨扬.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2956279
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