機(jī)械電子工程畢業(yè)論文-基于caxa的雙人舞蹈機(jī)器人模型建立及運(yùn)動仿真

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于CAXA的雙人舞蹈機(jī)器人模型建立及運(yùn)動仿真</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在

2、指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計題目： 基于CAXA的雙人舞蹈機(jī)器人模型建立及運(yùn)動仿真

3、 </p><p><b>　　1．課題意義及目標(biāo)</b></p><p>　　1）通過查閱有關(guān)資料，了解雙人舞蹈機(jī)器人主要功能和技術(shù)參數(shù)；</p><p>　　2）雙人舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動部件設(shè)計及模型建立</p><p>　　3

4、）利用CAXA完成動作的仿真</p><p><b>　　2．主要任務(wù)</b></p><p>　　1）雙人舞蹈機(jī)器人的的功能選擇與運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計；</p><p>　　2）CAXA模型的建立；</p><p><b>　　3）運(yùn)動的仿真</b></p><p><b&

5、gt;　　3．主要參考資料</b></p><p>　　[1]歐陽帆；雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動方法的研究［Ｄ].華南理工大學(xué).2013</p><p>　　[2] 宮赤坤； 張智斌..現(xiàn)代制造工程［Ｊ］ 2012年10期 .仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).　</p><p>　　[3] 王超；類人機(jī)器人上肢體的設(shè)計與動力學(xué)仿真［Ｄ］.上海交通大學(xué).2007</

6、p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　審核人： 年 月 日</p><p>　　基于CAXA的雙人舞蹈機(jī)器人模型建立及運(yùn)動仿真</p><p>　　摘 要：本設(shè)計應(yīng)用CAXA實(shí)體設(shè)計來對雙人舞蹈機(jī)器人進(jìn)行模型建立和運(yùn)動仿真。在查閱舞蹈機(jī)器人相關(guān)文

7、獻(xiàn)資料之后，分析機(jī)器人的結(jié)構(gòu)自由度并對機(jī)器人的肢體、身體等建立三維模型并裝配。接著根據(jù)機(jī)器人的動力學(xué)特點(diǎn)，規(guī)劃機(jī)器人的行動步伐，并計算各關(guān)節(jié)的自由度變化情況。在上述基礎(chǔ)上對機(jī)器人模型進(jìn)行運(yùn)動仿真，記錄并分析仿真結(jié)果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：雙人舞蹈機(jī)器人、模型建立、仿真、CAXA</p><p>　　Modeling and Simulation of double dance ro

8、bot based on CAXA</p><p>　　Abstract: In this paper, the CAXA entity design is used to establish the model and motion simulation for the double dance robot. After consulting the relevant documentation of the

9、dance robot, the robot's structural freedom is analyzed, and the robot's body and body are built up to build 3D model and assemble. Then according to the robot's dynamic features, the robot's action is pl

10、anned, and the degree of freedom of the joints is calculated. On the basis of the above, the robot model is simulate</p><p>　　Keywords: Double dance robot, modeling, simulation, CAXA目 錄</p><p>

11、<b>　　一、前言1</b></p><p>　　1.1機(jī)器人概念的提出1</p><p>　　1.2機(jī)器人的發(fā)展1</p><p>　　1.3機(jī)器人的定義2</p><p>　　1.4 舞蹈機(jī)器人的發(fā)展3</p><p>　　1.5舞蹈機(jī)器人的研究意義3</p>&l

12、t;p>　　1.6 雙人舞蹈機(jī)器人的適用場所4</p><p><b>　　二、理論基礎(chǔ)5</b></p><p>　　2.1設(shè)計目變定位5</p><p>　　2.2機(jī)器人的自由度5</p><p>　　2.2舞蹈機(jī)器人自由度定位5</p><p>　　三、雙人舞蹈機(jī)器人模型建立

13、8</p><p>　　3.1 模型建立工具8</p><p>　　3.2 CAXA的概念8</p><p>　　3.3 CAXA系統(tǒng)特性8</p><p>　　3.4 在本論文中CAXA用到的模塊9</p><p>　　3.5雙人舞蹈機(jī)器人模型建立9</p><p>　　3

14、.5.1 踝關(guān)節(jié)的模型建設(shè)10</p><p>　　3.5.2 膝關(guān)節(jié)的模型建設(shè)11</p><p>　　3.5.3 髖關(guān)節(jié)的模型建設(shè)12</p><p>　　3.5.4 肩關(guān)節(jié)的模型建設(shè)13</p><p>　　3.5.5 肘關(guān)節(jié)的模型建設(shè)14</p><p>　　3.6 舞蹈機(jī)器人裝配15&

15、lt;/p><p>　　四、機(jī)器人動力學(xué)17</p><p>　　4.1 機(jī)器人運(yùn)動分析的必要性17</p><p>　　4.2 舞蹈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)17</p><p>　　4.3單腳支撐是機(jī)器人動力學(xué)特性分析17</p><p>　　4.4 舞蹈機(jī)器人雙腿動力學(xué)分析19</p><p>

16、;　　五、雙人舞蹈機(jī)器人步伐設(shè)計23</p><p>　　5.1 舞蹈機(jī)器人步伐設(shè)計的作用23</p><p>　　5.2 舞蹈機(jī)器人步伐設(shè)計23</p><p>　　5.4 舞蹈機(jī)器人前向關(guān)節(jié)角25</p><p>　　六、雙人舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動仿真31</p><p><b>　　6.1 引言

17、31</b></p><p>　　6.2 運(yùn)動仿真過程31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　一、前言</b></p><p>　　1.1機(jī)器

18、人概念的提出</p><p>　　1920年，捷克作曲家在其劇本《Rosam universal robotic》中最早使用機(jī)器人一詞。劇中機(jī)器人的本意是苦力，即作曲家筆下的具有認(rèn)得外表、特征和功能的苦力。</p><p>　　“Robot”雖出現(xiàn)的比較晚，然而這一概念在人類的想象中早已出現(xiàn)。制造機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)研究者的夢想，代表人類重塑自身、了解自身的一種強(qiáng)烈愿望。自古以來，就要不少科

19、學(xué)家和杰出巨匠制造出具有人類特點(diǎn)或具有模擬動物特征的機(jī)器人雛形。</p><p><b>　　1.2機(jī)器人的發(fā)展</b></p><p>　　在1939年的紐約世博會展出West House electric power company生產(chǎn)的一臺機(jī)器人。它由電纜控制,可以行走,會說77個字,甚至可以抽煙,但不會做家務(wù)。但它是讓機(jī)器人人更具體的視覺效果。</p&g

20、t;<p>　　在1959年，第一臺工業(yè)機(jī)器人被德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫?英格伯格聯(lián)手制造出。隨后，成立了Unimation公司（世界上第一家機(jī)器人制造工廠）。</p><p>　　1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的名為沙基的機(jī)器人。此機(jī)器人配有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機(jī)很大，一個房間般大小。沙基機(jī)器人可以算是世界第一臺智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)

21、的序幕。</p><p>　　1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)，非常受人們的喜愛，雖然此機(jī)器人具有很多缺陷，但不可否認(rèn)的是，從此機(jī)器人進(jìn)一步走進(jìn)我們的生活中。</p><p>　　BRH-0是由北京理工大學(xué)研制成功的我國第一個擬人機(jī)器人，這個機(jī)器人（高1.58米、重76公斤、有32個自由度、時速1公里，步幅0.33米)不僅打太極拳，而且還會騰空行走，最重要的一點(diǎn)是它能

22、根據(jù)路面情形變化來保持自身的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同路況的穩(wěn)步行走。BRH-0在機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)集成等方面都取得了重大突破，是我國雙足機(jī)器人研究進(jìn)展已經(jīng)邁入世界研發(fā)的最前線的標(biāo)志。</p><p>　　同時，國內(nèi)的其他高校也積極加入機(jī)器人的研制行列，投入動力人力、物力，對我國的機(jī)器人研發(fā)其推動作用。如今機(jī)器人已被應(yīng)用在各個領(lǐng)域，已是現(xiàn)代社會必不可少的組成部分。</p><p&g

23、t;<b>　　圖示為舞蹈機(jī)器人</b></p><p><b>　　1.3機(jī)器人的定義</b></p><p>　　機(jī)器人問世已有幾十年，但對機(jī)器人的定義仍然沒有一個確切的定論。因?yàn)闄C(jī)器人也在不斷的發(fā)展，新的功能和機(jī)型不斷的被設(shè)計制造，或許某一天機(jī)器人將向科幻電影一樣發(fā)展的和人類相同甚至超越人類的地步。</p><p>

24、　　法國作家Villiers de L'isle-Adam在1886年他的小說《(L'Eve Future》中將的機(jī)器進(jìn)行了定義，機(jī)器人由4部分組成：The life system、 the modelling solution nature、 the artificial muscle and the artificial skin.</p><p>　　為了防止機(jī)器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫

25、1950年在《I'm a robot》一書中提出了“Robot three principle”：</p><p>　　1．1. cannot under any circumstance harm another human being. must provide help for humans in dire needs 1. cannot under any circumstance harm an

26、other human being. must provide help for humans in dire needs ；</p><p>　　2．cannot disobey a direct human order as long as it is not in violation of law 1. ；</p><p>　　3．protect its own existance

27、as long as it does not violate law 1 and 2 。</p><p>　　這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人的開發(fā)的準(zhǔn)則。</p><p>　　1.4 舞蹈機(jī)器人的發(fā)展</p><p>　　從仿人型機(jī)器人問世以來，人行機(jī)器人的發(fā)展非常的迅速。并隨著信息化的發(fā)展而愈加明顯。如今已成為機(jī)器人領(lǐng)域主要研究

28、方向之一。然而舞蹈機(jī)器人作為機(jī)器人發(fā)展的分支之一，也逐漸走進(jìn)人們的生活中。各類舞蹈機(jī)器人出現(xiàn)在各個舞臺上，極大豐富人們的視野，讓科學(xué)走進(jìn)生活。并且隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人越加向人工智能化、信息網(wǎng)絡(luò)化、尺寸小型化、普便化的方向發(fā)展。而今各種簡單廉價的舞蹈機(jī)器人是如今發(fā)展的主題。特別是機(jī)器人競技比賽、表演讓舞蹈機(jī)器人走進(jìn)人們的生活。</p><p>　　1.5舞蹈機(jī)器人的研究意義 <

29、;/p><p>　　隨著社會科技的進(jìn)步，人們生活水平的不斷提高，很多人對傳統(tǒng)的娛樂方式產(chǎn)生了厭倦，而對娛樂隨也有了更新的要求和更高的標(biāo)準(zhǔn)。因此為了滿足人們的需求，我們設(shè)計了會跳舞的舞蹈機(jī)器人，它不僅可以填補(bǔ)老人們的空虛與無聊，更滿足了青年和兒童的好奇心，同時也能激發(fā)他們認(rèn)識了解新科技和創(chuàng)造新科技。 基本思路：通過對人類運(yùn)動動作的深入了解，分析人類身軀和肢體的動作特性，并且與控制對象跳舞機(jī)器人的工作原理、動作過程進(jìn)行比

30、較，從而確定機(jī)器人的基本構(gòu)成并選擇合適的機(jī)械構(gòu)件，組裝完成機(jī)器人的造型。分析機(jī)舞蹈機(jī)器人肢體動作的局限性與動作優(yōu)勢（機(jī)器人的難操控性和高自由度），設(shè)定機(jī)器人的舞蹈動作（在設(shè)計背景下），按動作編寫程序，完成作品的設(shè)計。 創(chuàng)新點(diǎn)：舞蹈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)完全模仿現(xiàn)實(shí)人類,并且實(shí)現(xiàn)雙足步行,腿臂有很大的自由度,可以完成各種困難的運(yùn)動。舞蹈機(jī)器人的非常規(guī)娛樂形式和藝術(shù)形式,將吸引了越來越多的人,為人們接觸尖端技術(shù)提供合適的機(jī)會,并且普及機(jī)器人科技和機(jī)器

31、人技術(shù)知識,這會反過來會促進(jìn)人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　1.6 雙人舞蹈機(jī)器人的適用場所</p><p>　　雙人舞蹈機(jī)器人的潛力可以廣泛的應(yīng)用在教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)、娛樂等領(lǐng)域。作為新的發(fā)展方向：人類的新型伴侶機(jī)器人,這將使機(jī)器人逐步走向普通居民的生活中。舞蹈機(jī)器人可以完全實(shí)現(xiàn)智能操作，還可以使用軟件來實(shí)現(xiàn)通過編程的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),并做出各種各樣的行動，讓人們心情

32、愉悅。在各種不同的場合，如：在學(xué)?？萍冀逃龑W(xué)習(xí)，在家庭提供豐富的生活經(jīng)驗(yàn)，在社會可以增加更多的娛樂項目。還有不斷擴(kuò)大的社會服務(wù)行業(yè)，機(jī)器人將有更廣闊的前景。</p><p><b>　　二、理論基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計目變定位</b></p><p>　　本論文設(shè)計的目標(biāo)是完成一種能在平地上以規(guī)

33、劃的步態(tài)穩(wěn)定行進(jìn)的仿人雙人舞蹈機(jī)器人。要完成這一設(shè)計，首先要給雙人舞蹈機(jī)器人分配合理的自由度，確定各個部件自由度的運(yùn)動范圍，只有這樣雙人舞蹈機(jī)器人才能在適當(dāng)?shù)目刂葡履M出人的各種動作。</p><p>　　2.2機(jī)器人的自由度</p><p>　　舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動關(guān)鍵在于機(jī)器人自由度的合理分配，確立機(jī)器人各個部件自由度的設(shè)定范圍，只有這樣才能使機(jī)器人在控制下做出說要求的運(yùn)動姿態(tài)。這將涉及到

34、機(jī)器人自由度（DOF，degree of freedom)。</p><p>　　每一個不受限制的簡單物體都有六個自由度。但當(dāng)兩個物體之間建立起某種關(guān)系時，一物體的自由度都將減少另一個同樣如此。這種關(guān)系也可以說是兩物體之間由于建立連接關(guān)系而不能進(jìn)行的移動或轉(zhuǎn)動，而相互限制了彼此的自由度。</p><p>　　舞蹈機(jī)器人運(yùn)動的復(fù)雜性、觀賞性都要求機(jī)器人具有高自由度，靈活性是雙人舞蹈機(jī)器人設(shè)計

35、必須考慮的因素。</p><p>　　2.2舞蹈機(jī)器人自由度定位</p><p>　　人行走的圖形 如圖2-1</p><p>　　圖2-1 人體運(yùn)動步行姿態(tài)</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)雙人舞蹈機(jī)器人的穩(wěn)步行走，我們可以規(guī)劃它的運(yùn)動過程（其中正面前向并與運(yùn)動方向相同的機(jī)器人），機(jī)器人行走步驟：先是右腿支撐、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿

36、中間然后右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間六個階段。另一個機(jī)器人的運(yùn)動步驟相對前一個機(jī)器人。</p><p>　　考慮雙人舞蹈機(jī)器人走步驟可以得出（其中正面前向并與運(yùn)動方向相同的機(jī)器人）:當(dāng)機(jī)器人向前行走,機(jī)器人臀部向前旋轉(zhuǎn)自由程度的功能起作用。同時與踝關(guān)節(jié)支撐腿和身體的自由運(yùn)動,膝關(guān)節(jié)和協(xié)調(diào)的步伐行走。當(dāng)機(jī)器人需要達(dá)到目標(biāo)位置,有時需要進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)變,所以自由度的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)是必需的，但是考慮到設(shè)計的難度,去

37、除臀部和腳踝關(guān)節(jié)的水平方向自由度設(shè)計,這沒有影響機(jī)器人在地面上行走,并且可以減輕設(shè)計困難。同時手臂關(guān)節(jié)也是如此。</p><p>　　這樣，雙人舞蹈機(jī)器人單人腿部有六個自由度，每條腿三個自由度，即踝關(guān)節(jié)有前向的自由度，膝關(guān)節(jié)一個前向自由度，髖關(guān)節(jié)具有前向前向的自由度。同時，雙人舞蹈機(jī)器人胳膊部有六個自由度，每條胳膊三個自由度，即肩關(guān)節(jié)有前向和向后的自</p><p>　　由度，肘關(guān)節(jié)兩個自

38、由度。</p><p>　　為了簡化期間，我們只研究機(jī)器人腿部和手部的自由度要求，軀體部分假設(shè)平穩(wěn)移動。</p><p>　　因此，論文設(shè)計的每個為了方便研究，簡化機(jī)器人是必要的。所以我們只研究機(jī)器人腿部和手部的自由度要求，軀體部分假設(shè)平穩(wěn)移動。</p><p>　　因此，設(shè)計的雙足機(jī)器人總共有十二個自由度，全部集中在雙腿和雙手上，而且呈對稱分布。</p>

39、;<p>　　通過上述分析，得出機(jī)器人自由度配置，簡圖如下舞蹈機(jī)器人總共有十二個自由度，全部集中在雙腿和雙手上，而且呈對稱分布。</p><p>　　通過上述分析，我們可以得出舞蹈機(jī)器人四肢自由度分配，簡圖如下（圖2-2）</p><p>　　圖2-2 舞蹈機(jī)器人側(cè)視圖</p><p>　　1.為機(jī)器人腳踝關(guān)節(jié)的自由度</p><

40、p>　　2.為機(jī)器人膝關(guān)節(jié)的自由度</p><p>　　3.為機(jī)器人髖關(guān)節(jié)的自由度</p><p>　　4.為機(jī)器人肩關(guān)節(jié)的自由度</p><p>　　5、6.為機(jī)器人肘關(guān)節(jié)的自由度</p><p>　　三、雙人舞蹈機(jī)器人模型建立</p><p>　　3.1 模型建立工具</p><p>

41、;　　由于本論文的主題是基于CAXA的雙人舞蹈機(jī)器人的模型建立和運(yùn)動仿真，所以選用CAXA實(shí)體設(shè)計來建立機(jī)器人的三維模型，并應(yīng)用該軟件的運(yùn)動仿真模塊來進(jìn)行雙人舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動仿真。</p><p>　　3.2 CAXA的概念</p><p>　　北京數(shù)碼大方科技股份有限公司CAXA是我國領(lǐng)先的工業(yè)軟件服務(wù)公司，是我們中國最大的CAD和PLM軟件供應(yīng)商，是我國工業(yè)云的倡導(dǎo)者和領(lǐng)跑者。主要提

42、供產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)、數(shù)字化設(shè)計CAD、數(shù)字化制造MES和工業(yè)云服務(wù)，并且是"中國工業(yè)云服務(wù)平臺"的發(fā)起者和主要運(yùn)營商。</p><p>　　CAXA實(shí)體設(shè)計是唯一集創(chuàng)新設(shè)計、工程設(shè)計、協(xié)同設(shè)計于一體的新一代3D CAD系統(tǒng)解決方案。易學(xué)易用、快速設(shè)計和兼容協(xié)同是其最大的特點(diǎn)。它包含三維建模、協(xié)同工作和分析仿真等各種功能，其無可匹敵的易操作性和設(shè)計速度幫助工程師將更多的精力用于產(chǎn)品設(shè)

43、計本身，而不是軟件使用的技巧。</p><p>　　3.3 CAXA系統(tǒng)特性</p><p>　　1.CAXA實(shí)體的全相關(guān)性</p><p>　　完整的相關(guān)性是CAXA實(shí)體設(shè)計的功能設(shè)置。也就是說,在設(shè)計的過程中,改變了用戶設(shè)計的任何時候,將擴(kuò)展到整個設(shè)計,并自動更新所有工程文件,如機(jī)械部件、機(jī)</p><p>　　械工程圖和信息處理等。&

44、lt;/p><p>　　2.CAXA系統(tǒng)基于特征的參數(shù)化建模</p><p>　　CAXA實(shí)體設(shè)計是基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的幾何建模。這些特性通常用于機(jī)械部件與一定的機(jī)械功能,包含知識的環(huán)境,和組件可以改變根據(jù)用戶的期望。裝配、加工、制造等領(lǐng)域,使用最適合的領(lǐng)域特征。</p><p>　　3.CAXA組裝管理系統(tǒng)</p><p>　　CAXA實(shí)體設(shè)計允許用

45、戶使用匹配,插入,對齊和其他直觀指示,容易裝配零件,達(dá)到設(shè)計目的。而高級特性支持大型和復(fù)雜的組件的創(chuàng)建和管理,和部分的數(shù)量沒有限制。</p><p>　　3.4 在本論文中CAXA用到的模塊</p><p>　　在建模工作中涉及到CAXA實(shí)體設(shè)計中的以下幾個模塊：</p><p>　　1.三維建模模塊——該模塊的作用是建立機(jī)器人各個零件的模型。</p>

46、<p>　　2.裝配模塊——在這一模塊中對這些零件進(jìn)行裝配使其形成一個完整的結(jié)構(gòu)；</p><p>　　3.動運(yùn)動仿真模塊——用此模塊對裝配好的機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行運(yùn)動仿真。</p><p>　　3.5雙人舞蹈機(jī)器人模型建立</p><p>　　為完成機(jī)器人的模型建立需使用CAXA實(shí)體設(shè)計，選擇設(shè)計一個新文件，并選用藍(lán)色模板為底面，進(jìn)入設(shè)計頁面 如下圖3-

47、1</p><p>　　圖3-1 設(shè)計頁面</p><p>　　進(jìn)入CAXA設(shè)計頁面，按照所要設(shè)計的零件要求，在設(shè)計元素庫中（圖右側(cè)的長方形框中，長方體、圓柱、球，孔類.....）選取所需元素，將其拖至中間的設(shè)計框中，雙擊選取包圍盒，輸入零件的外圍主體尺寸，有圓孔設(shè)計要求是需將所需元素拖至設(shè)計框中零件表面，雙擊右鍵選取包圍盒輸入設(shè)計尺寸，點(diǎn)擊F10選取三維球（如圖3-2）</p&g

48、t;<p>　　圖3-2 CAXA三維球</p><p>　　根據(jù)所設(shè)計的零件要求對選取元素進(jìn)項移動、相對行為等操作，合理應(yīng)用三個外部控制手柄（長軸），三個內(nèi)部控制手柄（短軸），一個中心點(diǎn)。設(shè)計所需零件。</p><p>　　3.5.1 踝關(guān)節(jié)的模型建設(shè)</p><p>　　作為仿人機(jī)器人的舞蹈機(jī)器人，雙人舞蹈機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)需模擬人類的踝關(guān)節(jié)的動

49、作，因此機(jī)器人踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有一個自由度（向前），這樣方便機(jī)器人的控制。踝關(guān)節(jié)的三維模型見圖 3-3</p><p>　　圖3-3 踝關(guān)節(jié)模型</p><p>　　3.5.2 膝關(guān)節(jié)的模型建設(shè)</p><p>　　作為仿人機(jī)器人的舞蹈機(jī)器人，雙人舞蹈機(jī)器人的膝蓋關(guān)節(jié)需模擬人類的膝蓋關(guān)節(jié)的動作，因此因此機(jī)器人膝蓋關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有一個自由度（向后），這樣方便機(jī)器人的控制。膝蓋

50、關(guān)節(jié)的三維模型見圖 3-4</p><p>　　圖3-4 膝蓋關(guān)節(jié)模型</p><p>　　3.5.3 髖關(guān)節(jié)的模型建設(shè)</p><p>　　作為仿人機(jī)器人的舞蹈機(jī)器人，雙人舞蹈機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)需模擬人類的髖關(guān)節(jié)的動作，因此因此機(jī)器人髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有自由度（向前、向后），用連接軸結(jié)構(gòu)連接，這樣方便機(jī)器人的控制。髖關(guān)節(jié)的三維模型見圖 3-5</p><

51、;p>　　圖3-5 髖關(guān)節(jié)建模</p><p>　　3.5.4 肩關(guān)節(jié)的模型建設(shè)</p><p>　　作為仿人機(jī)器人的舞蹈機(jī)器人，雙人舞蹈機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)需模擬人類的肩關(guān)節(jié)的動作，因此因此機(jī)器人肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有一個自由度，用連接軸結(jié)構(gòu)連接，這樣方便機(jī)器人的控制。肩關(guān)節(jié)的三維模型見圖 3-6</p><p>　　圖3-6 肩關(guān)節(jié)建模</p><

52、;p>　　3.5.5 肘關(guān)節(jié)的模型建設(shè)</p><p>　　作為仿人機(jī)器人的舞蹈機(jī)器人，雙人舞蹈機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)需模擬人類的肘關(guān)節(jié)的動作，因此因此機(jī)器人肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有一個自由度，這樣方便機(jī)器人的控制。肘關(guān)節(jié)的三維模型見圖 3.5.5</p><p>　　圖 3.5.5 肘關(guān)節(jié)建模</p><p>　　3.6 舞蹈機(jī)器人裝配</p><

53、p>　　當(dāng)機(jī)器人建模完成后，在性的設(shè)計環(huán)境中，利用已設(shè)計好的零件文件，將零件導(dǎo)入到設(shè)計環(huán)境中，以便與其他零部件進(jìn)行裝配。</p><p>　　CAXA實(shí)體設(shè)計有三種零部件裝配方式：三維球裝配、無約束裝配和約束裝配。合理使用三中裝配方式可以裝配出理想的模型。單擊功能區(qū)裝配選項卡中的零件|裝配選項將裝配件插入到現(xiàn)在的設(shè)計環(huán)境中，在文件名中選擇所需文件，導(dǎo)入裝配環(huán)境中，選定零件，點(diǎn)擊三維球或F10選取三維球，右鍵

54、選取命令（到中心點(diǎn)、到點(diǎn)、到面等），合理轉(zhuǎn)配零件，并且按空格鍵，可以改變?nèi)S球在零件上的位置。 可以獨(dú)立于零件而移動。下一步，點(diǎn)擊頂部外側(cè)的三維球控制柄。一步步完成舞蹈機(jī)器人裝配。完成雙人舞蹈機(jī)器人裝配。 </p><p><b>　　四、機(jī)器人動力學(xué)</b></p><p>　　4.1 機(jī)器人運(yùn)動分析的必要性</p><p>　　雙人舞蹈機(jī)器

55、人的運(yùn)動分析是實(shí)現(xiàn)舞蹈機(jī)器人功能的必要過程。它是用來確定舞蹈機(jī)器人在運(yùn)行過程中各個關(guān)節(jié)的自由度上的作用力大小，對實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制起著至關(guān)重要的作用。</p><p>　　4.2 舞蹈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙足人舞蹈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 （4-1）</p><p>　　圖4-1 舞蹈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖</p><p>　　

56、4.3單腳支撐是機(jī)器人動力學(xué)特性分析</p><p>　　如下圖為雙人舞蹈機(jī)器人單腳支撐時的示意圖（4-2）</p><p>　　圖4-2 舞蹈機(jī)器人單腳支撐時的示意圖</p><p>　　圖中表示在i方向上的關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)角，表示在j方向上的關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)角。</p><p>　　為對應(yīng)連桿的長度，圖中已經(jīng)表明了機(jī)器人的兩條腿是完全一樣的。（

57、i=1,2,3,4.5.6）表示各個連桿的中心位置，由于機(jī)器人的腿是一樣的，根據(jù)上圖，</p><p><b>　　得：</b></p><p>　　+= += += （4-3）</p><p>　　、為踝關(guān)節(jié)距腳底的長度，、為小腿的長度，、為大腿的長度。</p>&l

58、t;p>　　為保持舞蹈機(jī)器人在行走時上體的穩(wěn)定，支撐腿的關(guān)節(jié)必滿足：</p><p>　　+=0 （4-4）</p><p>　　從而建立舞蹈機(jī)器人矩陣：</p><p><b>　　==</b></p><p>　　=

59、 =</p><p>　　= =</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　上式中，代表第n構(gòu)件關(guān)于第m構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)矩陣，S表示其下標(biāo)角度變化量的正弦值，表示其下標(biāo)角度變化量的余弦值。</p><p>　　4.4 舞蹈機(jī)器人雙腿動力學(xué)分析</p>

60、;<p>　　如下圖為雙人舞蹈機(jī)器人單腳支撐時的示意圖（4-6）</p><p>　　圖4-6 舞蹈機(jī)器人雙腳支撐時的示意圖</p><p>　　根據(jù)上圖，用1桿來表示6個桿的矩陣，并簡化為：</p><p>　　F（、、、......、）M+= (4-7)</p><p><b>　　求其一階導(dǎo)數(shù)得

61、：</b></p><p>　　++...++=0 (4-8)</p><p>　　對上式再求導(dǎo)數(shù)就可以得到約束方程關(guān)于加速度的約束關(guān)系:</p><p>　　++++......++</p><p>　　++=0 (4-9)</p>

62、<p>　　上式中，F(xiàn)（、、.....、、）=....的一個三維矩陣。M是在變換過程生成的一個三維列矢量。是一個不斷變化的常矢量。</p><p>　　采用遞推方式來計算速度和加速度的約束方程。通過（4-5）（4--8)(4-9)</p><p>　　算出、和。通過（i由0到6，j由0到6）內(nèi)外循環(huán)來計算出統(tǒng)一的動力學(xué)方程式。</p><p>　　A+B

63、+p= (4-10)</p><p>　　注：q為坐標(biāo)轉(zhuǎn)角。A，B為系數(shù)矩陣。P為重量矩。由于這些參數(shù)是不可控的，所以力矩矢量τ中與這些自由度相對應(yīng)的力矩為0。</p><p>　　在雙腳支撐時期，系統(tǒng)受到了幾何約束。所以可以列出：</p><p>　　A+B（，）+P=+.</p>&l

64、t;p>　　F=0 （4-11）</p><p>　　由于是乘子，可以被代替為</p><p>　　=A= （4-12）</p><p><b>　　若令</b></p><p>　　=A+

65、B+p (4-13) </p><p>　　=-. （4-14）</p><p><b>　　所以，可得出</b></p><p><b>　?。?-15

66、）</b></p><p>　　為動力矩，表示系統(tǒng)在受地面反力且滿足幾何約束條件下的力矩。為靜力矩，表示系統(tǒng)在維持各個關(guān)節(jié)相應(yīng)角度且承受地面反力的力矩。所以舞蹈機(jī)器人運(yùn)動輸出的力矩之和為 。</p><p>　　舞蹈機(jī)器人機(jī)器人的自由度中，被約束了三個自由度表示為：</p><p>　　=（， ，） （4-16）</

67、p><p>　　舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動關(guān)節(jié)自由度對應(yīng)的控制力矩為：</p><p>　　=（、、、....、） (4-17)</p><p>　　已知，可以得（4-14）：</p><p>　　= （4-18）</p><p>　　根據(jù)（4-16）,可以得（4-15）：</

68、p><p>　　=- (4-19)</p><p><b>　　=-</b></p><p>　　根據(jù)從（4-13）中得出，，得：</p><p>　　= （4-20)</p><p>　　將(4-19)反解得到

69、:</p><p>　　= (4-21)</p><p><b>　　從而得到。</b></p><p><b>　　利用的值，可得：</b></p><p>　　= （4-22）</p><p>　　根據(jù)上面的計算可

70、以得出每一個、的值。從而的出沒事每時每克的。 </p><p>　　五、雙人舞蹈機(jī)器人步伐設(shè)計</p><p>　　5.1 舞蹈機(jī)器人步伐設(shè)計的作用</p><p>　　雙人舞蹈機(jī)器人的行走過程中其各組成部分運(yùn)動軌跡的規(guī)劃是機(jī)器人論文的必要組成部分，即機(jī)器人行走過程中的步態(tài)規(guī)劃，比如說，當(dāng)離開地面的掌底后,腳掌在空中的軌跡,落地過程中搖擺階段等的詳細(xì)情況。比

71、較常用的方法是先規(guī)劃出踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的軌跡，然后是計算其它組成部分的軌跡。</p><p>　　雙人舞蹈機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃過程必須考慮到：</p><p>　　1.機(jī)器人本體不和環(huán)境或者自身發(fā)生干涉。</p><p>　　2.舞蹈機(jī)器人的穩(wěn)定性得以保障，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡。</p><p>　　5.2 舞蹈機(jī)器人步伐設(shè)計</p>

72、<p>　　雙人舞蹈機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃主要有三種方式：離線規(guī)劃、在線規(guī)劃以和離線規(guī)劃加在線修正。事先規(guī)劃好各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動是離線步態(tài)軌跡規(guī)劃，對外界環(huán)境的適應(yīng)能力差是其主要缺點(diǎn)。在線修正方法的前提是在離線規(guī)劃的基礎(chǔ)上保證行走步伐的穩(wěn)定性，然后根據(jù)傳感器反饋的動力學(xué)信息，對舞蹈機(jī)器人步態(tài)同時地加以修正，使得機(jī)器人穩(wěn)定的步行。優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng);離線規(guī)劃加在線修正的優(yōu)點(diǎn)是具有很強(qiáng)的靈活性和環(huán)境適應(yīng)能力，但缺點(diǎn)同樣明顯對各方面要求

73、很高，難以應(yīng)用在實(shí)踐中。</p><p>　　離線規(guī)劃的方法是目前唯一可使用的方法，因此機(jī)器人在現(xiàn)階段使用離線規(guī)劃的方法，假定機(jī)器人行走環(huán)境，過程為</p><p>　　確定舞蹈機(jī)器人腳的運(yùn)動軌跡（根據(jù)地面情況），</p><p>　　確定舞蹈機(jī)器人上體的軌跡（根據(jù)步行的周期性和步行穩(wěn)定性要求），</p><p>　　解出舞蹈機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的

74、運(yùn)動軌跡（根據(jù)逆運(yùn)動學(xué)求）。</p><p>　　5.3 機(jī)器人前向運(yùn)動時的質(zhì)心運(yùn)動軌跡</p><p>　　當(dāng)舞蹈機(jī)器人的腳向前運(yùn)動時，其模型可以簡化為如圖（5-1）</p><p>　　圖5-1 舞蹈機(jī)器人的腳向前運(yùn)動簡化模型圖</p><p>　　圖中坐標(biāo)原點(diǎn)位于支撐腿的踝關(guān)節(jié)處，因此可建立方程 ：</p><

75、p>　　-=0 （5-2）</p><p>　　令 則：=0</p><p>　　解： = （5-3）</p><p>　　根據(jù)步態(tài)的周期性和左右腿的對稱性，有：</p><p><b>　　

76、（5-4）</b></p><p><b>　　當(dāng)時，邊界條件：</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p

77、><b>　　質(zhì)心坐標(biāo)為：</b></p><p><b>　　（5-7）</b></p><p>　　計算質(zhì)心的軌跡如圖（5-8）：</p><p>　　圖5-8 舞蹈機(jī)器人前向運(yùn)動時質(zhì)心的軌跡</p><p>　　5.4 舞蹈機(jī)器人前向關(guān)節(jié)角 </p><p>　

78、　根據(jù)幾何關(guān)系，舞蹈機(jī)器人支撐腿各個前向關(guān)節(jié)角可以簡化為如圖（5-9）</p><p>　　圖5-9 舞蹈機(jī)器人支撐腿前向關(guān)節(jié)簡化圖</p><p>　　前面已經(jīng)求得計算質(zhì)心的軌跡()則根據(jù)幾何關(guān)系得：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　（5-11）</

79、b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　（5-14）</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　

80、其中、分別為機(jī)器人小腿與大腿的長度，支撐腿各個關(guān)節(jié)角分別為：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　機(jī)器人支撐腿各個關(guān)節(jié)前向角如圖（5-19）：&

81、lt;/p><p>　　踝關(guān)節(jié)前向圖 膝關(guān)節(jié)圖</p><p><b>　　髖關(guān)節(jié)前向圖</b></p><p>　　圖5-19 機(jī)器人支撐腿各個關(guān)節(jié)前向角圖</p><p>　　根據(jù)幾何關(guān)系，機(jī)器人擺動腿各個前向關(guān)節(jié)角可以簡化為如圖（5-20）：</p>

82、<p>　　圖5-20 機(jī)器人擺動腿各個前向關(guān)節(jié)角簡化圖</p><p>　　機(jī)器人的質(zhì)心的軌跡（）和動腿踝關(guān)節(jié)軌跡 （）上面的計算可以得到。根據(jù)幾何關(guān)系：</p><p><b>　　（5-21)_</b></p><p><b>　?。?-22)</b></p><p><b&

83、gt;　?。?-23)</b></p><p><b>　?。?-24)</b></p><p><b>　?。?-25)</b></p><p><b>　?。?-26)</b></p><p><b>　　腿的關(guān)節(jié)分別是：</b></

84、p><p><b>　?。?-27)</b></p><p><b>　?。?-28）</b></p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　機(jī)器人支撐腿各個關(guān)節(jié)前向角如圖5-30所示</p><p>　　圖5-30 機(jī)器人支撐

85、腿各個關(guān)節(jié)前向角圖</p><p>　　機(jī)器人前向關(guān)節(jié)角的步態(tài)規(guī)劃如圖（5-31）:</p><p>　　圖5-31 機(jī)器人前向關(guān)節(jié)角的步態(tài)規(guī)劃圖</p><p>　　六、雙人舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動仿真</p><p><b>　　6.1 引言</b></p><p>　　本文的設(shè)計目的是:基于CA

86、XA的雙人舞蹈機(jī)器人的模型建設(shè)和運(yùn)動仿真。通過CAXA的運(yùn)動仿真來達(dá)到最終目的。即向完成的機(jī)器人模型上添加控制電機(jī)，然后輸入控制參數(shù)數(shù)據(jù)，并規(guī)定運(yùn)動件的的變動情況，最終完成雙人舞蹈機(jī)器人的動畫仿真。</p><p>　　6.2 運(yùn)動仿真過程</p><p>　　1．在建立舞蹈機(jī)器人的各個零部件后，應(yīng)用ＣＡＸＡ裝配模塊，約束好機(jī)器人各個運(yùn)動件的運(yùn)動副，完成機(jī)器人主體模型的裝配。</p&

87、gt;<p>　　2．在機(jī)構(gòu)模塊中導(dǎo)入機(jī)器人的主體模型，再從工具欄中選擇“電機(jī)/伺服”命令為舞蹈機(jī)器人的各轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)添加伺服電機(jī)。</p><p>　　3.在各個電機(jī)中添加簡單的參數(shù)，測試電機(jī)能否正常運(yùn)行。</p><p>　　4.設(shè)定伺服電機(jī)的初始狀態(tài)。</p><p>　　5.添加伺服電機(jī)的運(yùn)動數(shù)據(jù)。</p><p><

88、b>　　6.運(yùn)動仿真</b></p><p>　　將裝配模型導(dǎo)入到動畫模塊中，確定各個零件隨時間變化的運(yùn)動狀態(tài)，輸入動畫的時間和幀數(shù)，最后點(diǎn)擊“運(yùn)行”命令，運(yùn)行得到舞蹈機(jī)器人的仿真動畫。</p><p>　　7.導(dǎo)出仿真動畫效果。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文是

89、在了解國內(nèi)外機(jī)器人的相關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上，研究雙人舞蹈機(jī)器人的關(guān)節(jié)模型、運(yùn)動步伐、動力學(xué)模型和運(yùn)動仿真等問題。論文過程為：</p><p>　　1.了解國內(nèi)外雙人舞蹈機(jī)器人的理論研究水平、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，明確舞蹈機(jī)器人的研究意義，確定課題的研究方向和研究內(nèi)容。</p><p>　　2.明確課題的最終要求是對雙人舞蹈機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動仿真。確定舞蹈機(jī)器人的</p><p&g

90、t;　　關(guān)節(jié)數(shù)、自由度并對機(jī)器人進(jìn)行模型建立。</p><p>　　3.建立運(yùn)動動力學(xué)模型，推倒機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)。</p><p>　　4.結(jié)合舞蹈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計運(yùn)動軌跡。</p><p><b>　　5.進(jìn)行運(yùn)動仿真。</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

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95、2007</p><p>　　[15] 宮赤坤，張智斌.現(xiàn)代制造工程［Ｊ］2012年10期 .仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).</p><p>　　[16]楊前祿.雙足機(jī)器人仿真與性能優(yōu)化［Ｄ].華中科技大學(xué).2012.</p><p>　　[17]邊琦.基于雙足機(jī)器人的步行研究［Ｄ].北京郵電大學(xué).2009.</p><p>　　[18]田陽.

96、小型雙足仿人機(jī)器人的設(shè)計與研發(fā)［Ｄ].中國海洋大學(xué).2013.</p><p>　　[19]郭聃.電子制作［Ｊ］2013年11期.多自由度舞蹈機(jī)器人的制作.</p><p>　　[20]于秀麗，魏世民，廖啟征.機(jī)械工程學(xué)報［Ｊ］ 2009年03期.仿人機(jī)器人發(fā)展及其技術(shù)探索. </p><p><b>　　致 謝</b></p>

97、<p>　　感謝父母的支持和鼓勵，沒有父母的撫養(yǎng)和教導(dǎo)就沒有我的今天。</p><p>　　感謝田靜指導(dǎo)老師在論文撰寫期間的悉心指導(dǎo)，在此期間田靜老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)，豐富的閱歷高尚的人格修養(yǎng)，使我受益終身。</p><p>　　感謝田宇星、馬中山、馮雄偉等同學(xué)，在此期間我們相互幫助相互學(xué)習(xí)共同進(jìn)步，并結(jié)下深厚友誼。</p><p>　　感謝學(xué)校機(jī)器人小隊，小