52、人形机器人几何模型参数的自动生成

人形机器人几何模型参数的自动生成

1. 引言

在机器人运动学中，计算运动链的几何模型通常需要先选择一种参数化约定，以定义从运动链一端到另一端的连续坐标系。传统方法要求用户掌握约定规则，并手动计算参数化所需的距离和角度。这不仅繁琐，还需要大量时间进行计算、检查和模拟验证。特别是对于像人形机器人这样具有多个运动链（如头部、手臂和腿部）的情况，需要确定的参数数量至少等于机器人的总自由度，任务难度更大。

本文提出了一种自动化程序，用于确定与建模约定相关的参数。该程序简化了机器人工程师的工作，无需手动计算，可直接应用于任何机器人模型或运动链。在设计和模拟阶段，它能方便地修改运动链的身体尺寸、关节轴的布局和方向，或关节顺序，而无需手动重新计算所有参数。

2. 建模约定

Khalil和Kleinfinger提出了一种基于Denavit - Hartenberg约定的修改版约定，即DHKK约定。该约定具有两个优点：
- 适用于开环和闭环结构的运动学描述。
- 方便地将$z_i$轴定义为旋转关节$i$的轴，绕$z_i$轴的旋转角度记为$\theta_i$。

从坐标系$R_{i - 1}$到$R_i$需要四个DHKK参数，分别为$a_i$、$\alpha_i$、$d_i$和$\theta_i$，其中$a_i$和$d_i$是距离，$\alpha_i$和$\theta_i$是角度。具体定义如下：
- $a_i$：沿$x_{i - 1}$方向$P_{i - 1}P_{i - 1}’$的有符号距离。
- $\alpha_i$：绕$x_{i - 1}$轴，$z_{i - 1}$和$z_i$之间的旋转角度。
- $d_