真马运动采集及在六自由度机器马中的复现

作     者：李鹏飞 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王洪瑞;肖金壮

授予年度：2012年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：六自由度并联机器马 空间运动 ADIS16355 陀螺仪 位移 转角 

摘      要：随着社会的快速发展，机器人技术的应用正在面向人类的生活领域发展，机器马运动健身是现代健身的一个发展方向。传统的骑马锻炼身体需要广阔的田野，并需要专业骑马人士的培训和辅导，并且还要受到交通的影响，骑马锻炼相对来说就变得比较困难,骑机器马锻炼身体就具有很现实的意义。本设计主要针对机器马复现真马的运动主要做了以下工作： 第一，本论文对六自由度并联机器马平台结构进行了分析，并联机器马平台的六个滑块的位移相互作用形成了马模型的特定位姿，即得出六个自由度滑块的位移变化决定马模型空间位姿变化。对机器平台的机械构成进行数学分析，建立坐标系得到了六个自由度滑块的位移变化量函数。此函数是由三维加速度数据和三维角速度数据为输入转化成滑块的位移变化量，实现了由加速度和角速度数据来控制马模型的位姿。 第二，对空间运动进行分析，把空间旋转看做物体按照一定的旋转顺序进行旋转所得到的由旋转前状态到旋转末状态的变化。得到对应的空间转动矩阵，结合机器马平台与马模型的关系进一步得到空间转动函数，实现了由采集的真马运动数据到平台的运动数据之间的转化。采用ADIS16355传感器采集马的步行和小跑的加速度和角速度运动数据，通过AVR单片机把数据通过串口存储在SD卡中。数据之间彼此不相互覆盖，保证了数据的准确性。 第三，运用Matlab软件读取SD卡中存储的数据，得到加速度和角速度数据曲线。对加速度和角速度运动数据进行分段、插值得到六维的单周期加速度和角速度平均数据，依据非线性特性曲线设计了相应的加速度修正算法和角速度修正算法得到实际单周期的加速度和角速度数据曲线。通过分析马模型与机器马平台之间的坐标系关系和空间运动函数，建立其数学模型，实现了由马模型的加速度和角速度数据到机器马平台的位移和转角数据。把位移和转角数据周期化，进行Matlab仿真并观测数据曲线。最后把数据移植给机器马，实现六自由度机器人对真马运动轨迹的复现。 论文最后叙述了该系统的实验室制作与实验过程，并展示了部分实验结果。把得到的转角和位移移植给六自由度并联机器马，机器马通过六个滑轮的位移变化量实现了机器马复现真马的运动。实验结果分析表明机器马可以复现真马的运动轨迹，比较好的表现了马的运动特性，可满足人们骑马运动锻炼身体。马运动方式的多样性，让身体得到了各种样式的锻炼，逐渐强健了人们的身体，同时方便了人们的生活。此外，依据实验结果及其分析结果，提出了改进意见并对将来研究工作进行了展望。