外文翻译--动态建模的多连杆式游泳机器人的三维仿真 中文版.doc

动态建模的多连杆式游泳机器人的三维仿真1.北京中科院自动化研究所，复杂系统与智能科学学院1000802.北京大学力学与空间技术系100871摘要:本文提出了一种能够自由游动的机器人模型，它是一个灵活的多连杆机器人。在使用Schiehlen方法的前提下，实现多关节联动。这种游泳机器人，例如机器鱼和机器人海豚，包含一系列的动力推进模块，这种推动力是通过其胸鳍的波动、振荡以及向下运动所产生。这种机器人的构造被视为是一种开放的，树状结构的多体系统。它所表达的水动力和动量的系统是基于稳态振荡箔流体力学理论，这些理论通过运动学和力学分析，得出完整的动力学方程，方程的形式适合于控制器的设计与计算机模拟。计算机得出结论和实验仿真结果的吻合说明机器鱼具有好的整体性能，它也部分证明了所提出模型所具有的潜力，同时也为其它类型的游泳机器人的发展奠定了基础。1.引言（1）由于游泳机器人的具体水下应用具有很大潜力，越来越多的研究和文献上都出现了有关于游泳机器人的设计和控制。其中，鱼样或海豚机器人最为人们所重视，这是因为它们具有更高的性能，它们的推进器在加速，速度，效率，机动性都优于传统的推进器。科学们推出海洋推进机制可追溯到上世纪30年代，从那时起，很多科学家一直致力于减阻机制，流体动力学，运动控制，以及可操作性等问题。接下来我们简要介绍一下游泳的机器人的发展。科学家们最早期的研究主要集中于建立水动力模型，并采用稳态流理论计算模型的受力。后来，更多的鱼型运动模型被创造出来，如吴氏最初提出的二维挥舞板理论，该理论成为了研究鱼类机器人的一个模板；此后，线性或非线性延长挥舞板理论，elongatedbody理论和大振幅细长体理论的形成，使得鱼类游泳机得到进一步发展。所以在此之后很多机构研制出了形态和运动方式都和海洋动物相似的游泳机器人，其中比较出名的包括麻省理工学院的研发的RoboTuna和RoboPike，德雷珀实验室的VCUUC，三菱机器鱼，七鳃鳗机器人，Blackbass机器人，两关节海豚机器人，多关节机器鱼（例如，于氏鱼和埃塞克斯鱼），knifefish仿真起伏鳍等。然而，到目前为止，很少有游泳机器人模型能够实现轨迹运动和实时控制，而且大多数提出的议案都是以牛顿欧拉方程为基础的，所以鱼和鲸类动物模型能够轻松地在三维水生环境进行自由游动，并且能够实现潜水深度的控制。现阶段游泳机器人的下潜和向上攀升主要通过胸鳍，尾鳍等机构来完成，所以要建造一个灵活的多连杆机器鱼或海豚，必须设计一个合适的胸鳍，来进行三维动态建模。本文旨在根据我们以往的成果，建立一个三维的能够自由游动的多连杆机器人，并且它可以分析自身受力，从而控制自己的运动轨迹。考虑到机器人的构造可以简单地看作是一个开放的，树型的骨架构造，所以采用浮动帧进行参考，对得出的动态方程通过Schielen方法进行推算。相反，传统的二维推进模型，在研究机器人下潜和向上攀升过程中为我们提供一个实际的模型，以便对三维效果进行评估。其余的文件的编排如下。第二节提出了运动学描述多连杆推进机制。动态建模与流体力学分析了一个灵活的多连杆系统实施by.Schielen法。实验装置和相关结果第四节和第五节分别我们的做出结论，第五节为我们概述了机器人的构架。2.运动学描述多连杆推进机制A.多连杆式推进装置结构如下图所示，图1，是一个能够自由游动的多连杆机器人，它主要由三部分组成：带有一对胸鳍（主要控制机器人下潜和向上攀升）的硬质头部，能灵活运动的驱体，和一个半月形的尾鳍。其中多链结的躯体由N个链结和N1外卷型的关节组成。这些链结有次序的连接起来，例如，第0个链结连接头部而第N+1则链接尾鳍。一般的，左边胸鳍被认为是第N+2次的联接，右边的胸鳍是第N+3次的链接。而对于整个机器人，在这种意义上，可以被看作是机构的第N+4个链接总数。因此，从多连杆机器人的内部结构来看，可以简单地看作是一个开放的，树型的多关节结构机制。具体来说，横向运动的机构被称为X轴，纵向的为Y轴，垂直方向的则是Z轴。作为一个游泳机器人，灵活的多连杆机构主要负责anguilliform的起伏，而鱼尾部的摆动鳍部的振荡，共同提供了机器人的动力。在此三维运动的机器人，为了简洁明了，可以分解为平面运动和上升和下潜的垂直于平面的两维运动。对于机器鱼，其空间和时间的关系为其中ybody是鱼体的横向位移，X轴为主要轴线，K是鱼体振动的次数，ybody(x,i)(i=0,1,.,M1)，C1为一次波的振幅，C2的二次波的振幅。值得注意的是，可调参数C1和C2是用来确定机械鱼在实验中的模拟次数。然而，机器海豚的在竖直方向的多连杆机构相对于身体中心线遵循着一个规律：，xn=x/L其中L是指从海豚的嘴部开始测量的海豚的长度，f代表尾部震荡的频率，T表示运动的时间。因此，海豚一样垂直振荡类似于鱼横向振荡的功能，只鱼类游泳模型才能应用。B.运动学分析为了便于描述三维动态，图形在三坐标系统中显示。图形的表达都是通过通用的坐标系O-XYZ来进行表达，其中xjyjzj是沿中央主轴第j链接（j=0，1，。，n），其中第一个都固定的使用P0-xy表示，为了解决该运动的机器人，广义坐标具体为，其中l和r为左，右胸鳍的旋转角。进一步的在机器人的整体机构中第j个链接是Pj1(xj1,yj1)和Pj(xj,yj)，其中第j条链和X轴的夹角是j，并且有|Pj1Pj|=lj。如前所述，运动链接是预先配对行体波数值拟合的离散，空间和时间变化体波。因此，我们可以得出j(t)(j=1,2,.,N)。并且派生出j(t)，即J（T）和¨J（T），因为我们已经知道尾鳍的旋转角度和实验结果所确定的胸鳍的振荡。与此同时，l和r可以设定输入变量。因此，每一个运动的推进要素都已被确定。所以很容易进行计算。承担协调阵列为Pj(j=1,2,.,N+1),Pl,并且Pr为XjYjZjT,XlYlZl，和XrYrZr，PL和Pr的交点左，右胸鳍和头部之间。为第j链接，所以我们认为它的几何中心和重心重合。Mj可以表示为：vj的线速度，加速度，和相对运动速度具有下列关系：其中有Hj(q,t)=rj/q,vjq,t=r/jt，所以我们还可以用另一种形式表达为：角速度j和加速度与的第j推进元素的关系可以得出：3.动态建模随着计算机的进步和建模方法的发展,实时多体建模已经成为一个标准工具应用到工业设计中。一般来说，普通的建模方法只应用到一些古典大的机械设计中，例如刚体,关节，弹簧，阻尼器，和驱动器的设计。以下的假设是通过多体建模系统来进行推断：（1）一个多体机构一般包括一些刚体和理想的关节。但是在特定情况下这个机构，可以引申为由粒子或无惯性机构组成。（2）多体系统的布局一般是比较随意的，在哪里布置链，以及封闭环都允许的。（3）在模拟中一般机构，关节，和驱动器都选取一些标准件。由于灵活的多连杆机器人可以简单地看作是一个开放的，树型的多体运动机构，推导它的动力学方程一般可以在Schielen的方法框架内进行。A.动态分析从运动学的角度研究游泳机器人，我们假定，机器人的头部由刚体构成，动力通过背部的运动产生同时尾部的摆动也提供了运动的动力，由于惯性作用非定常流，我们使用准非定常流理论来分析的动议前部分的联系，并通过实验结果从摆动箔的尾鳍和胸鳍。为方便简化流体力学的计算，不同组成部分之间的相互作用在以及尾鳍是的震荡所产生的内部的受力一般不进行考虑。在使用Schiehlen方法的前提下，对多体系统内部各构件进行受力分析，在参考系中动力用Faj表示和阻力用Fcj表示。同样，在每个时刻的帧活跃时刻表示为Laj和约束时刻的表示为Lcj。具体而言，为第j个（j=1，2，。，N）模型中的摆动构件的一部分，它符合：其中FIj是指附机器人受到的周围液体的阻力；T(j1,j)条和T(j+1,j)表示第j个链结与第j-1和第j+1个链条之间的摩擦力；Tij表示此时刻周围液体产生的惯性,(j1,j)和(j+1,j)指的是伺服电机应此时刻对第j个链结输出的力。尾鳍的受力分析可以根据振荡箔理论进行计算，表示为FN+1=FN+1(St,)=FN+1(q,q,t),它的推力和侧向力与尾鳍的夹角（）有关。值得主义的是试验中水的阻力都是由实验的方法所决定的。而尾部受到的阻力主要与第j（j=1，2，。，N）个摆动的关节有关。最后，对于左翼和右翼两个胸鳍的受力，简单的应用Joukowski定理，得出Fl=_FN+2(q,q,t)和Fr=FN+3(q,q,t).它们的图形通过O-XYZ的坐标系画出来。值得注意的是这些都是在我们假设左边胸鳍或右边胸鳍可以单独或者同时运动的情况下进行的。此外，对于施加于头部的力Fl(或者Fr)，通过Ll=Ll(q,q,t)（或Lr=Lr(q,q,t)计算得出。胸鳍的动力通过Lal=LaN+2=(0,l)+L，Lar=LaN+3=(0,r)+Lr和Lar=LaN+3=(0,r)+Lr计算出来，其中阻力Fcl=T(0,l),阻力主要与第j个（j=1，2，。，N）运动的关节有关。在分析完受力和每个时刻施加推进力（j=0，1，。，N+3），我们可以得出一个基本的动态方程将：其中Jj表示主要的转动惯量矩阵与第j推进因素。为了便于简化，我们提出以下方程：此外，用一个更简洁的形式，可以将上述运算公式表述为：其中m是一个6(N+4)×6(N+4)型对角矩阵，H(q,t)是一个6(N+4)×6，K(q,q,t)Fa，Fc是6(N+4)×1的。请注意，详细的表述文章不给予提供，因为它们形式比较复杂。B.模型示范方程式虽然将动力和阻力全部联系起来，但是这却不方便运动的控制。所以考虑到施加限制因素均被理想化，在使用Schiehlen方法的前提下，可以推出公式：