智能接待机器人机构设计模型分析:机器人运动过程中各关节所受的力和力矩

智能接待仿人机器人是一个复杂的多连杆机构，具有丰富的动力学特性。为规划智能接待仿人机器人的机构设计需求，计算机器人运动过程中各关节所受的力和力矩、分析动力学稳定性和控制规律，需要建立其动力学模型，给出便于进行运动规划和实施控制的数学描述[3]。 用传统的运动学和动力学建模方式，对于多自由度机器人的运动，其数学描述是强非线性和高阶系统，而高阶非线性微分方程的列写极为困难，求不出显式表达式和解析解，不 能用于步态设计。目前，国际上研究双足步行机器人的运动时，常采用七杆机构动力学 模型，将整个腿部分为大腿、小腿和足部，上身视为一个质量块，从而得出七杆步行机器人动力学模型。事实证明这种近似可以比较现实地反映机器人的动力学特性，设计出较好的行走步态。

智能接待仿人机器人除了具有腿部的行走功能外，还具有上身的功能，自由度也比双足机器 人成倍的增加。从仿生角度看，人的手臂在运动中起着协调运动的作用，智能接待仿人机器人的手 臂是d立运动的，在行走运动过程中起着重要的调整作用。从运动链角度看，智能接待仿人机器人由于有手臂运动，故它是由三条链组成的复合运动链，运动学、动力学、运动规划上更为复 杂，不能直接用双足机器人的动力学模型来描述[94]。本节将在双足机器人模型的基础上， 结合智能接待仿人机器人的运动特点，建立一个合适的运动模型，导出步行运动的数学描述。 本节设计的是一个19 DOF 的智能接待仿人机器人，暂不考虑其头部 和手指的自由度。

为了便于步态分析和设计，建模时将躯干近似 为一个杆，不考虑肘关节运动，两个手臂各视为一个杆，只考虑两 臂运动产生的水平面上旋转力矩，在此基础上建立智能接待仿人机器人的 简化运动模型[95]。先，在智能接待仿人机器人的腰部固连一个参考坐标 系O₂, 再在智能接待仿人机器人步行起点的重心投影处建立一个相对于地 面静止的绝对坐标系O₁, 图3.9为参考坐标系与绝对坐标系的关系示意图。两个坐标系的转换可以用下式描述：