基于准力矩电机驱动的仿人机器人系统设计

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仿人机器人的驱动器是仿人机器人系统的核心之一,驱动器性能与特性对于仿人机器人来说至关重要,它决定了机器人的运动性能和控制难易程度。本文所设计的仿人机器人驱动器采用的是准力矩电机,亦叫本体驱动器(Proprioceptive Actuator),它由大扭矩力矩电机串联低减速比减速箱(10:1以内)组成。相比于传统的高减速比或基于串联弹性机构(SEA)驱动器,它能通过电流环做精准的力控,同时还具备高频响应能力强,机电系统简单、成本低、力矩反馈精准等优点,缺陷则是能量输出密度不足。针对能量输出密度不足的特性,结合仿人机器人的应用背景和技术指标,本文的具体研究内容包括以下几点:首先,研究仿人机器人国内外研究最新动态,总结三类驱动器在仿人机器人上应用的优缺点,提出自己的研究思路及设计方案。其次,从动力学的角度,从理论上分析仿人机器人质量分布的最优解,然后选择几款比较典型的仿人机器人,对他们的性能指标(例如关节构型、质量分布、驱动器性能)进行分析、建模。在pybullet物理仿真平台进行zmp步行、下蹲、起跳等动作的仿真,并记录相关数据,建立评价体系,通过评价参数来评价各个机器人的设计,最后使用仿真结果来验证理论分析是否正确。之后,根据之前的分析结果,确定所设计机器人的性能指标(关节构型、质量分布、驱动器性能),在SolidWorks中进行结构设计,并完成结构优化,然后建立运动学模型,在pybullet物理仿真平台进行各类动作仿真,纳入评价体系,与其他经典仿人机器人进行对比,分析该设计的优势与劣势。最后,完成仿人机器人控制系统硬件与程序设计,搭建机器人硬件平台,进行样机实验,通过机器人性能表现来评估是否达到预期性能指标。
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