matlab的四足机器人建模与仿真(附件)【字数：11147】
摘 要本课题讨论了一种利用MATLAB中Robotics Toolbox对机器人进行的仿真建模的技术，对四足机器人进行行仿真建模。通过设计确定主要研究对象为哺乳类四足机器人。确定了机器人的腿部关节结构类型和驱动类型。运用D-H参数法对机器人进行三维建模以得到相应的结构参数，确定相应的关节的坐标系。利用Robotics Toolbox对机器人进行仿真建模，利用MATLAB函数和D-H参数相结合以得到机器人的仿真模型。然后，对机器人腿部进行运动学分析，编写出可以得到机器人腿部关节的仿真图像的程序，并设计出使得机器人各个关节和足端点运动轨迹可视化的程序，完成了对四足机器人足端的实时轨迹的绘制，达到对机器人腿部运动过程的直观观察，通过对足端点实时轨迹图像的观察来确定机器人运动过程的平稳性。通过Robotics工具箱中的函数命令得到机器人腿部关节的关节角、角速度、角加速度随时间变化曲线，以研究机器人腿部的运动状态，通过观察关节角、角速度，角加速度的变化曲线验证设计机器人的结构参数的合理性机器人运行的稳定性。通过MATLAB进行机器人的正逆运动学分析，验证机器人腿部运动学正逆解的正确性，以确保仿真过程的准确性。为后续的机器人动力学分析、轨迹控制方法设计尊定了基础。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机器人技术的研究背景 1
1.2四足机器人的研究现状 2
1.3机器人仿真技术研究现状 3
1.4主要研究内容 4
第二章 四足机器人的运动学研究 5
2.1四足机器人模型的建立 5
2.2机器人驱动方式的选择 6
2.3机器人坐标系的定义 7
2.4右前腿的正运动学分析 8
2.5右前腿的逆运动学分析 10
2.6机器人结构参数的设计 11
第三章 四足机器人的模建模与运动学仿真 12
3.1机器人腿部关节仿真模型 12
3.2机器人整体仿真模型 13
3.3机器人腿部的正向运动学仿真 16
3.4机器人腿部的逆向运动学仿真 16
第四章 四足机器人运动轨迹仿真 18
4.1机器人运动轨迹规划 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
8
4.2机器人末端轨迹模拟 18
4.3机器人末端位移模拟 19
4.4机器人腿部运动学参数 20
4.5机器人运动学仿真分析结论 22
第五章 结论与展望 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1机器人技术的研究背景
机器人技术是一种综合性技术，他包含了机械技术与材料原理技术，电气化技术，自动控制技术以及AI技术的涵盖了众多领域不同学科关键技术。机器人技术的用到的比重在近年的科学发展过程中不断增大，主要应用的途径有大型工业生产活动，危险情况下的救助活动，以及武装军事化演习或战争活动。
机器人技术不仅包含了线性，非线性，通过多种传感设备的信号控制以及实施控制工程，而且还和机械电气化系统的复杂化模型的建立，数学信号仿真和混合控制工程的控制分析研究等方面的技术有着非常密切的相关性。现今，我们通常把机器人技术研究成果作为国家的综合实力的象征，是一种高新高效高科技的机电一体化设备产品。[1]
四足机器人一般具有复杂的机构，不能按照一般产品的形式去完成设计：制定设计方案设计样机——完成样机——对样机进行改造和实验——确定产品设计。这样的普通产品的设计方法流程具有很长的周期，运用到机器人的设计中，实在浪费时间、金钱和精力，不利于机器人产品的成本的降低，反而会导致资源的浪费，不利于可持续节约型研究的目的。而且，在样机被制作出来后，对于整个样机这个物体，我们无法做到“透视”的观察效果，对样机的研究不直观深刻，很有可能漏掉很多关键的内部问题，压根不能很好的解决机器人设计生产的主要问题。
在人类现在的活动空间中，有一些地方是人无法直接到达的和可能对人有这生命危害的场所，如高危建筑内部，自然灾害或人为现场等许多地方，对于在这些危险的地方的人类活动就十分需要来自机器人的帮助。足式机器人顾名思义，有着和动物一样的腿脚的躯干，他的足的布局是分散的，每个足部采用的是点支撑的方式在地面上寻找合理的位置，这是滚轮式机器人和履带式机器人所无法比拟的。常见的足式步行机器人包括双足机器人，四足机器人，六足机器人，八足机器人等。对于不同的地形，不论复杂还是简单，四足机器人往往比其他的机器人拥有更好的适应能力，所以比其他机器人更有使用价值和实际意义。
1.2四足机器人的研究现状
国外的机器人研究起步很早，在二十世纪初就已经有了很多机器人设计的案例和研究方案，到了现在，普遍取得了比较成熟的成就，拥有相当成熟的机器人技术。国外的四足机器人研究成果主要如下：
2002年西拔牙研发出一种用于教学的四足机器人，其型号为SILO4，这个型号的四足机器人高70cm，体重达到了30kg，该机器人的腿部一共拥有三个自由度，它可以做出的动作包括自主行走和自主越障，可以完成在不是很平坦的路面的运行以及在30cm以下的障碍物的跨越。该机器人的腿部驱动方式是伺服电机，因此关节摆动很慢，导致了机器人的整体动作缓慢，运行不稳定。
2004年，在美国国防部研究计划署和国家航天局资助波士顿动力公司和哈佛大学研制了一款名为Littledog的机器人，该机器人采用四条相同的腿部机构，每条腿有三个自由度，驱动方式是通过点击驱动，该机器人的一大特点是可以直接通过无线信号的传递实现远程实时控制和实时分析，非常的高效化。在2006年，波士顿动力公司又研发了Littledog的升级版——Bigdog机器人。Bigdog是当时世界上最先进的机器人，它机体长90cm重达100kg，采用了液压作为驱动元件。Bigdog全身拥有超过100个传感器，他们负责实时测量机器人的关节角度，位移参数和机器人速度等其他参数，通过不断的反馈给控制系统来保持机器人的平衡稳定。Bigdog相比于Littledog的升级之处主要体现在速度和负载两个方面，且它的野外适应能力更是当时的最高水准，甚至可以在沼泽地带或者冰雪天气高速稳定的运行，作为当时美国军方的军用机器人，它的抗干扰能力优良。Bigdog的先进之处体现为它不仅是运用了机电一体化技术，而且综合使用了计算机技术、控制技术还有传感器技术，所以它是现今世界上最先进的四足机器人。
中国开始研究四足机器人主要开始于上世纪七八十年代，和西方国家相比，我国的起步显得有些落后，由于科研水平基础薄弱，所以有着较大的差距。更因为我们起步晚，所以国家更加重视机器人技术的研究，通过学习西方国家的现有经验，在人力物力的投入之后，我国的四足机器人技术发展的成果也是不容小视的。国内的四足机器人研究成果主要如下：
目 录
第一章 绪论 1
1.1机器人技术的研究背景 1
1.2四足机器人的研究现状 2
1.3机器人仿真技术研究现状 3
1.4主要研究内容 4
第二章 四足机器人的运动学研究 5
2.1四足机器人模型的建立 5
2.2机器人驱动方式的选择 6
2.3机器人坐标系的定义 7
2.4右前腿的正运动学分析 8
2.5右前腿的逆运动学分析 10
2.6机器人结构参数的设计 11
第三章 四足机器人的模建模与运动学仿真 12
3.1机器人腿部关节仿真模型 12
3.2机器人整体仿真模型 13
3.3机器人腿部的正向运动学仿真 16
3.4机器人腿部的逆向运动学仿真 16
第四章 四足机器人运动轨迹仿真 18
4.1机器人运动轨迹规划 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
8
4.2机器人末端轨迹模拟 18
4.3机器人末端位移模拟 19
4.4机器人腿部运动学参数 20
4.5机器人运动学仿真分析结论 22
第五章 结论与展望 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1机器人技术的研究背景
机器人技术是一种综合性技术，他包含了机械技术与材料原理技术，电气化技术，自动控制技术以及AI技术的涵盖了众多领域不同学科关键技术。机器人技术的用到的比重在近年的科学发展过程中不断增大，主要应用的途径有大型工业生产活动，危险情况下的救助活动，以及武装军事化演习或战争活动。
机器人技术不仅包含了线性，非线性，通过多种传感设备的信号控制以及实施控制工程，而且还和机械电气化系统的复杂化模型的建立，数学信号仿真和混合控制工程的控制分析研究等方面的技术有着非常密切的相关性。现今，我们通常把机器人技术研究成果作为国家的综合实力的象征，是一种高新高效高科技的机电一体化设备产品。[1]
四足机器人一般具有复杂的机构，不能按照一般产品的形式去完成设计：制定设计方案设计样机——完成样机——对样机进行改造和实验——确定产品设计。这样的普通产品的设计方法流程具有很长的周期，运用到机器人的设计中，实在浪费时间、金钱和精力，不利于机器人产品的成本的降低，反而会导致资源的浪费，不利于可持续节约型研究的目的。而且，在样机被制作出来后，对于整个样机这个物体，我们无法做到“透视”的观察效果，对样机的研究不直观深刻，很有可能漏掉很多关键的内部问题，压根不能很好的解决机器人设计生产的主要问题。
在人类现在的活动空间中，有一些地方是人无法直接到达的和可能对人有这生命危害的场所，如高危建筑内部，自然灾害或人为现场等许多地方，对于在这些危险的地方的人类活动就十分需要来自机器人的帮助。足式机器人顾名思义，有着和动物一样的腿脚的躯干，他的足的布局是分散的，每个足部采用的是点支撑的方式在地面上寻找合理的位置，这是滚轮式机器人和履带式机器人所无法比拟的。常见的足式步行机器人包括双足机器人，四足机器人，六足机器人，八足机器人等。对于不同的地形，不论复杂还是简单，四足机器人往往比其他的机器人拥有更好的适应能力，所以比其他机器人更有使用价值和实际意义。
1.2四足机器人的研究现状
国外的机器人研究起步很早，在二十世纪初就已经有了很多机器人设计的案例和研究方案，到了现在，普遍取得了比较成熟的成就，拥有相当成熟的机器人技术。国外的四足机器人研究成果主要如下：
2002年西拔牙研发出一种用于教学的四足机器人，其型号为SILO4，这个型号的四足机器人高70cm，体重达到了30kg，该机器人的腿部一共拥有三个自由度，它可以做出的动作包括自主行走和自主越障，可以完成在不是很平坦的路面的运行以及在30cm以下的障碍物的跨越。该机器人的腿部驱动方式是伺服电机，因此关节摆动很慢，导致了机器人的整体动作缓慢，运行不稳定。
2004年，在美国国防部研究计划署和国家航天局资助波士顿动力公司和哈佛大学研制了一款名为Littledog的机器人，该机器人采用四条相同的腿部机构，每条腿有三个自由度，驱动方式是通过点击驱动，该机器人的一大特点是可以直接通过无线信号的传递实现远程实时控制和实时分析，非常的高效化。在2006年，波士顿动力公司又研发了Littledog的升级版——Bigdog机器人。Bigdog是当时世界上最先进的机器人，它机体长90cm重达100kg，采用了液压作为驱动元件。Bigdog全身拥有超过100个传感器，他们负责实时测量机器人的关节角度，位移参数和机器人速度等其他参数，通过不断的反馈给控制系统来保持机器人的平衡稳定。Bigdog相比于Littledog的升级之处主要体现在速度和负载两个方面，且它的野外适应能力更是当时的最高水准，甚至可以在沼泽地带或者冰雪天气高速稳定的运行，作为当时美国军方的军用机器人，它的抗干扰能力优良。Bigdog的先进之处体现为它不仅是运用了机电一体化技术，而且综合使用了计算机技术、控制技术还有传感器技术，所以它是现今世界上最先进的四足机器人。
中国开始研究四足机器人主要开始于上世纪七八十年代，和西方国家相比，我国的起步显得有些落后，由于科研水平基础薄弱，所以有着较大的差距。更因为我们起步晚，所以国家更加重视机器人技术的研究，通过学习西方国家的现有经验，在人力物力的投入之后，我国的四足机器人技术发展的成果也是不容小视的。国内的四足机器人研究成果主要如下：
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