（机械制造及其自动化专业论文）仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究.pdf

彳砀e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y z h o us h a o w e i a d v i s e d b y g ua n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 。文中对触须传 感器的工作原理进行了理论分析，研究了触须传感器实现距离测量和轮廓检测的方法。运用 a n s y s l s d y n a 进行仿真，验证了此方法的可行性和有效性。最后，基于虚拟现实技术，进 行了仿生触须机器人避障研究。本文围绕触须传感器进行了如下内容的研究： 1 建立了触须的力学模型。提出了通过移动或转动触须传感器来测量接触距离，并推导出 各自的接触距离计算公式。在此基础上提出了利用触须阵列进行物体轮廓检测的方法，并推导 出了具体的计算公式。 2 完成了触须触碰物体的仿真。运用a n s y s l s d y n a 建立了触须和物体的有限元模型， 分别进行了触须移动触碰物体和转动触碰物体的仿真。对仿真数据进行了计算分析处理，得出 了触须的接触距离，验证了所提出方法的有效性和可行性。 3 完成了轮廓检测仿真。运用a n s y s l s d y n a 建立触须阵列和物体的有限元模型，进 行了触须阵列扫描物体的仿真。根据之前提出的轮廓检测方法和计算公式求出接触点，并把测 得的接触点拟合成物体轮廓。 4 进行了仿生触须机器人避障研究。运用a d a m s 建立了虚拟环境和基于触须传感器的 仿生机器人虚拟样机，并建立了控制规则，实现了机器人在虚拟环境中自主移动和躲避障碍物 等动作。 关键词：仿生机器人，触须传感器，计算机仿真，数值模拟，距离测量，轮廓检测 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 a b s t r a c t r o d e n t sc a l ld e t e c to b j e c t sa n da v o i do b s t a c l e sb yt h e i rw h i s k e r s ，i n s p i r e db yt h i s ，i n v e n t e dt h e w h i s k e rs e n s o r t h ep r i n c i p l e so fw h i s k e rs e n s o rw e r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r , t h e m e t h o d so fd i s t a n c em e a s u r e m e n ta n dc o n t o u rd e t e c t i o nb yw h i s k e rs e n s o rw e r es t u d i e d t h e s e m e t h o d sa r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v ew h i c hv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n sw i t ha n s y s l s d y n a f i n a l l y , r e s e a r c ha b o u to b s t a c l e sa v o i d a n c eo fb i o m i m e t i cr o b o tb a s e do nw h i s k e rs e n s o rw a sd o n ew i t h v i r t u a lr e a l i t y t h ef o l l o w i n gs t u d i e sh a v eb e e nd o n e ： 1 1 1 1 em e c h a n i c a lm o d e lo fw h i s k e rw a se s t a b l i s h e d c o n t a c td i s t a n c em e a s u r e m e n t sb ym o v i n g o rr o t a t i n gw h i s k e rs e n s o rw e r em e n t i o n e d ，a n dt h e i rf o r m u l a sw e r ed e r i v e d a n dt h e nt h em e t h o do f c o n t o u rd e t e c t i o nw i t hw h i s k e ra r r a y sw a sm e n t i o n e d a l s o ，t h ef o r m u l aw a sd e r i v e d 2 s i m u l a t i o n so fw h i s k e r - o b j e c tc o n t a c tt e s tw e r ed o n e e s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f w h i s k e ra n do b j e c t 、) i r i 廿1a n s y s l s d y n a c a r r i e do u tt h es i m u l a t i o n so fw h i s k e rc o n t a c to b j e c tb y m o v i n ga n dr o t a t i n g a n dt h e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h es i m u l a t i o nd a t a ，o b t a i n e dt h ec o n t a c t d i s t a n c e ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h em e t h o d 3 s i m u l a t i o n so f c o n t o u rd e t e c t i o nw i t hw h i s k e ra r r a y sw e r ed o n e e s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo fw h i s k e ra r r a y sa n do b j e c tw i t ha n s y s l s d y n a c a r r i e do u tt h es i m u l a t i o n so fw h i s k e r a r r a y ss c a no b j e c t a n dt h e ng o tt h ep o s i t i o no fc o n t a c tp o i n ta c c o r d i n gt ot h ea b o v e - m e n t i o n e d m e t h o do fc o n t o u rd e t e c t i o na n di t sc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，a n dc o n s t r u c t e dt h eo b j e c tc o n t o u r 4 r e s e a r c ha b o u to b s t a c l e sa v o i d a n c eo fb i o m i m e t i cr o b o tb a s e do nw h i s k e rs e n s o rw a s d o n e v i r t u a le n v i r o n m e n ta n dv i r t u a lp r o t o t y p eo fb i o r n i m e t i cr o b o tb a s e do nw h i s k e rs e n s o rw e r e e s t a b l i s h e dw i t ha d a m s ，b u i l tt h ec o n t r o lr o l e sa n dm a d et h er o b o tm o v ei n d e p e n d e n t l ya n da v o i d o b s t a c l e si nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：b i o m i m e t i cr o b o t ，w h i s k e rs e n s o r , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i s t a n c e m e a s u r e m e n t ，c o n t o u rd e t e c t i o n h 第一章绪论1 1 1 机器人技术概况1 1 2 机器人传感器简介2 1 3 触须传感器3 1 4 计算机仿真技术介绍4 1 4 1 计算机仿真技术定义4 1 4 2 计算机仿真历史与现状5 1 5 课题研究意义及主要研究内容6 1 5 1 课题研究意义6 1 5 2 课题研究内容7 第二章数值模拟技术及a n s y s l s d y n a 8 2 1 数值模拟技术概述一8 2 2a n s y s l s d y n a 概述。9 2 2 1l s d y n a 发展历程9 2 2 2l s d y n a 的功能特点9 2 2 3a n s y s l s d y n a 的分析流程。1 0 2 3 l s d y n a 算法基础ll 2 3 1 控制方程1 1 2 3 2 显式时间积分1 2 2 3 3 接触算法1 3 2 4 沙漏控制和阻尼控制1 4 2 4 1 沙漏控制技术1 4 2 ，4 2 阻尼控制方法1 4 2 5 本章小结1 5 第三章触须传感器工作机理研究1 6 3 1 触须传感器结构及工作原理1 6 3 1 - 1 刚性触须传感器1 6 3 1 2 柔性触须传感器1 7 3 2 触须力学分析1 8 l i l 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 3 3 触须传感器距离测量原理1 9 3 3 1 触须传感器移动测量接触距离方法。1 9 3 3 2 触须传感器转动测量距离方法及改进2 0 3 3 3 触须连续触碰物体时的误差分析2 2 3 4 触须轮廓检测方法分析2 3 3 5 本章小结2 4 第四章触须传感器距离测量仿真2 5 4 1 触须距离测量仿真方案2 5 4 2 触须距离测量仿真2 5 4 2 1 前置处理2 5 4 2 2 求解及后置处理。2 8 4 3 仿真数据处理方法及m a t l a b 编程。2 9 4 3 1 触须移动触碰物体仿真数据处理方法3 0 4 3 2 触须转动触碰物体仿真数据处理方法及m a t l a b 编程3 0 4 4 触须触碰物体仿真数据处理结果分析3 3 4 5 本章小结3 4 第五章触须阵列轮廓检测仿真3 5 5 1 触须阵列扫描仿真方案。3 5 5 2 触须阵列建模及仿真3 5 5 2 1 几何模型3 5 5 2 2 建立有限元模型3 6 5 2 3 生成p a r t 、定义接触并施加载荷3 7 5 2 4 求解及后处理3 7 5 3 轮廓检测仿真数据处理及计算界面设计3 8 5 3 1 数据处理方法及编程3 8 5 3 2 计算界面设计4 2 5 4 仿真结果分析及轮廓拟合4 3 5 4 1 仿真结果分析4 3 5 4 2 物体轮廓拟合4 5 5 5 本章小结- - - i 4 6 第六章基于v r 的仿生机器人避障研究4 7 6 1 虚拟现实以及虚拟样机技术简介4 7 i v 4 7 4 8 4 8 4 8 4 9 5 0 6 3 虚拟现实建模及仿真5 1 6 3 1 a d a m s 软件概述5l 6 3 2 虚拟样机及虚拟环境建模5 l 6 3 3 触须机器人避障仿真5 3 6 4 本章小结5 5 第七章总结与展望5 6 7 1 本文总结5 6 7 2 工作展望5 7 参考文献。5 8 致谢6 1 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 2 附录。6 3 v 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 图表清单 图1 1 触须传感器阵列人脸模型扫描拟合示意图6 图2 1a n s y s l s d y n a 分析流程图1 0 图2 2 阻尼控制对话框1 5 图3 1 刚性触须传感器原理图。1 6 图3 2 触须传感器结构示意图。1 7 图3 3 触须力学模型。1 8 图3 4 触须传感器移动触碰物体过程。1 9 图3 5 触须传感器转动触碰物体过程i 2 1 图3 6 触须传感器转动触碰物体过程i i 2 2 图3 7 触须连续触碰物体误差分析图2 3 图3 8 触须阵列工作过程图2 3 图4 1 触须及物体几何模型2 6 图4 2 触须及物体有限元模型2 7 图4 3 单根触须触碰仿真结果2 9 图4 4 触须触碰物体过程示意图31 图4 5 位移一接触距离关系图3 3 图4 6 转动角接触距离关系图3 4 图5 1 触须阵列及物体几何模型3 6 图5 2 触须阵列及物体有限元模型3 6 图5 3 触须阵列扫描仿真结果3 8 图5 4 节点z 轴、x 轴位移图3 8 图5 5 触须阵列轮廓检测计算分析图4 0 图5 6 轮廓点与实际轮廓曲线对比图4 2 图5 7 轮廓检测数据计算程序界面4 3 图5 8 触须阵列各触须接触距离变化图4 4 图5 9 轮廓检测仿真数据处理结果图4 4 图5 1 0 轮廓曲面拟合图4 6 图6 1 仿生机器人主要研究内容及分类图4 9 图6 2 仿生触须机器人4 9 v l 5 0 5 2 5 3 5 4 5 5 2 7 3 7 v i l 第一章绪论 1 1 机器人技术概况 机器人作为2 0 世纪人类最伟大的发明之一，自6 0 年代初问世以来，经历了4 0 多年的发展， 已取得了显著的进步和成果。在传统的制造生产领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期后， 已成为制造业中不可缺少的核心自动化装备。目前世界上约有近百万台工业机器人正在各种生 产现场工作。在非制造领域，特种机器人作为机器人家族中的后起之秀，由于其用途广泛，近 年来发展十分迅速。服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种 用途的特种机器人纷纷面世，而且正迅速向实用化迈进【l 】。 随着计算机、微电子、信息技术的快速发展，机器人技术的开发速度越来越快，智能化程 度也越米越高，应用范围也得到了极大的扩展。机器人正朝着智能化的方向发展。现代智能机 器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作，如深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、 服务等工作，模拟完成人类不能或不愿完成的任务。智能机器人所要完成的工作任务越来越复 杂，对其行为进行人工分析、设计也变得越米越困难。因此，发达国家无论在硬件或软件都投 入了大量的人力、物力，各国研究者提出了很多理论和研究方法，并在实践中得到了很好的应 用。如：( 1 ) 演化机器人技术就是近年来国内外兴起的一个研究方向。演化机器人技术模仿自 然界，尤其是人类的演化过程，让机器人也能像人一样，从低级到高级进行演化，最后具有对 环境和任务的自动适应能力。( 2 ) 行为分析机器人技术。在这种研究方法中主要考虑机器人的 行为，依据一定的动作作为选择原则，选取机器人的行为，完成所需的任务。这种方法的优点 是不需要预先知道机器人所需解决的任务和所面临的外部环境，适合于动态未知环境下自主移 动机器人的研究。 由于人们对智能机器人的要求越米越高，而智能机器人所处的环境往往是未知的、难以预 测的，在研究这类机器人的过程中需要涉及多传感器信息融合、导航与定位、路径规划、机器 人视觉、智能控制等关键技术。其中多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题。它 与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合，为机器人在各种复杂、动态、不确定 和未知的环境中执行任务提供了一种解决途径。机器人所用的传感器有很多种，根据不同用途 分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类【2 1 。内部测量传感器用来检测机器人组成部件的 内部状态，包括：特定位置、角度传感器；任意位置、角度传感器；速度、角度传感器；加速 度传感器；倾斜角传感器；方位角传感器等。外部传感器包括：视觉( 测量、认知传感器) 、触 觉( 接触、压觉、滑动觉传感器) 、力学( 力、力矩传感器) 、接近觉( 接近觉、距离传感器) 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 以及角度传感器( 倾斜、方向、姿式传感器) 。多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的 感知数据，以产生更可靠、更准确或更全面的信息。经过融合的多传感器系统能够更加完善、 精确地反映检测对象的特性，消除信息的不确定性，提高信息的可靠性。 1 2 机器人传感器简介 在上一节中，多传感器信息融合技术被列为智能机器人关键技术之一，可以看出传感器技 术在机器人研究领域的重要性，尤其是对自主导航的机器人，其导航和定位、路径规划等都依 赖于传感器系统。机器人所用的传感器一般分为外部传感器和内部传感器两大类。内部传感器 的功能是检测运动学和动力学参数，用来控制机器人按规定的位置、轨迹、速度、加速度和受 力大小进行工作。在内部传感器中，位置传感器和速度传感器是当今机器人反馈控制中不可缺 少的元件。外部传感器功能是识别外界工作环境，用来检查对象物体的特征，应付环境和修改 程序。由于外部传感器和人的视、听、嗅、昧、触等五官感觉相对应，也称为感觉传感器【3 1 ， 其详细阐述如下： 1 视觉传感器视觉传感器主要检测对象的明暗度、位置、运动方向、形状特征等。通过 明暗觉传感器判别对象物体的有无，检测其轮廓；通过形状觉传感器检测物体的面、棱、顶点、 二维或三维形状，达到提取物体轮廓、识别物体及提取物体固有特征的目的。位置觉传感器可 以检测物体的平面位置、角度、与物体之间的距离，达到确定物体空间位置，识别物体方向和 移动范围等目的。通过色觉传感器检测物体的色彩，达到根据颜色选择物体进行正常工作的目 的。这些视觉模仿多半是用电视摄像机和计算机技术来实现的，所以又称为计算机视觉。视觉 传感器的工作过程可分为检测、分析、描绘和识别四个主要步骤，也可以看作是一个包括信息 获取和处理两部分的系统。从某种意义上来说，它也属于智能化传感器的范畴。 2 听觉传感器听觉传感器是人工智能装置，包括声音检测转换和语音信息处理两部分， 它能使机器人实现“人机”对话，赋予机器人这些功能的技术称为语音处理系统。具有语音 识别功能的传感器称为听觉传感器。实现语音识别技术的大规模集电路目前已商品化了【4 】，其 代表型号有t m s 3 2 0 c g b l 和t m s 3 2 0 c s o p q 等。 3 嗅觉传感器嗅觉传感器主要用来检测一般情况下的气味，并转换成与之对应的电信号， 即人工嗅觉【5 1 。目前这方面的研究相对于其它感觉传感器远远落后，不能令人满意。由于嗅觉 元件收到的信号非常复杂，含有成千上百种化学物质。这就使得人工嗅觉系统处理这些信号的 过程变得非常复杂。人工嗅觉的典型产品是功能各异的e l e c t r o n i cn o s e ( 电子鼻) ，到目前为止电 子鼻已经很成功地应用在医学领域。比较先进的电子鼻可以检测到肺癌、肝硬化等疾病。 4 味觉传感器味觉传感器又称为“人工舌头”，它是一套能够模仿人类舌头并将各种味觉 数字化的味觉识别装置。实现味觉传感器的一种方法是使用类似于生物系统的材料作为传感器 2 混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动，它对初始条件敏感。混沌识别具有很高的灵敏度， 因此越来越得到应用。目前较典型的电子舌系统有法国的a l p h am o s 系统和日本的k i y o s h i t o k o 系统。 5 触觉传感器触觉传感器主要是用来检测和外部直接接触而产生的接触觉、压觉及接近 觉f 7 1 。广义上，触觉传感器分为：接近觉、接触觉、压觉、力觉、滑觉等。接近觉传感器的主 要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体 的接近距离和物体的表面形状等。目前使用的接近觉传感器主要有光电式、超声波式和涡流式 三种。接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。压觉传感 器用来检测机器人手指的握持面上承受的压力大小和分布。分布式压觉传感器是阵列式触觉传 感器的延伸。这些传感器本身相对于力的变化基本上不发生位置或儿何形状的变化。力觉传感 器用来感知力的大小和方向，从而决定如何运动、采取什么姿势以及推测对象物体的重量等。 机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力，以保证既能握住物体不产生滑 动，又不至于冈用力过大而使物体发生变形或被损坏。当握紧力不够时，要检测“手指”与被 握紧物体之间相对运动( 滑动) 的大小和方向。利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考 虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。 1 3 触须传感器 传感器是机器人获取外部信息的窗口。要使机器人拥有智能，对环境变化作出反应，首先 必须使机器人具有感知环境的能力。目前在机器人中运用较多的是视觉、红外、超声等传感器。 但视觉系统造价昂贵、控制复杂，特别是在暗处或者障碍物存在于视觉传感器和对象物之间， 就无法获得视觉信息。红外、超声等非视觉传感器大多是以环或阵列的形式出现，处理信号往 往要占用机器人大量的c p u 时间。与上述传感器相比，触觉系统结构简单、信息处理速度快、 环境适应性强，成本也低的引羽。 本课题研究的触须传感器属于触觉传感器。触须传感器结构简单、适应性强、测量精确， 具有广泛的应用前景，可作为机器人感知系统的重要补充，可以拓展移动机器人的智能化领域。 为此各国的科研人员纷纷设计了不同类型的仿生触须传感器，并对仿生触须传感器在移动机器 人应用方面作了深入研究。1 9 9 2 年日本学者t s u j i m u r a 和y a b u t a 利用柔性探针变形特性，根据 探针端部的作用力或扭矩推算出接触点的位置 9 1 。随后奥大利的r u s s e l l 设计了刚性触须探针 传感器，通过触须顶端接触物体来检测物体轮廓【lo 】。2 0 0 2 年m i r i a mf e n d 实验小组采用柔性触 须设计了电容式传感器，通过触须根部频域信号来区别不同外形轮廓【1 1 1 。2 0 0 4 年d a ee u nk i m 3 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 实验小组研制了电磁式触须传感器，从触须根部分离出低频信号和高频信号，分别用来进行轮 廓识别和纹理识别【1 2 1 。 2 0 0 1 年，欧洲i s t 启动了a r t i f i c i a lm o u s e ( a m o u s e ) 计划 1 3 】，历时4 年，由瑞士、意大 利和德国的学者们共同合作，成功研制出了具有视觉和触觉感知的移动机器人系统a m o u s e 。 该机器人的前进方向上安装有视觉传感器，两侧是触觉传感器。视觉系统负责前进方向上环境 信息的感知，而触觉系统负责两侧信息的获取。实验表明，机器人在运动中可以根据触须接触 到物体后反馈同来的信息确定障碍物与自身之间的相对位置，进而调整运动路线，使得机器人 能实时地、自主地、灵活地避开障碍物。 2 0 0 8 年，由欧盟s e v e n t hr e s e a r c hp r o g r a m m e ( f p 7 ) 机构资助的b i o m i m e t i ct e c h n o l o g yf o r v i b r i s s a la c t i v et o u c h ( b i o t a c t ) 课题立项启动，该项目涉及7 个国家的9 个科研单位。b i o t a c t 的目标是通过研究n o r w e g i a nr a t 和e t r u s c a ns h r e w 触须的功能、形态、运动和神经系统等来研 制新颖的人工触须传感器，并将其安装在自主运动的机器人上实现搜索、识别、跟踪和快速捕 获目标物的目的。 1 4 计算机仿真技术介绍 1 4 1 计算机仿真技术定义 根据国际标准化组织( i s o ) 标准中的数据处理词汇部分的名词解释，“模拟”( s i m u l a t i o n ) 与“仿真”( e m u l a t i o n ) 两词含义分别为：“模拟”选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特 征，用另一系统来表示它们的过程。“仿真”即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部 分模仿某一数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同 样的程序，获得同样的结果。目前实际上已将上述“模拟”和“仿真”两者所含的内容都同归 于“仿真”的范畴，而且都用英文s i m u l a t i o n 一词来代表。因此在文中对这两个词不做区别1 4 l 。 综合国p , j g b 学者对计算机仿真技术的定义，对其做如下定义：计算机仿真技术是以数学理 论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物 理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。 计算机仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、 软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。具有经济、可靠、安全、灵活、 可多次重复使用等优点，已在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建 设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。据最新统计资料表明，计算机仿真技术 是当前应用最广泛的实用技术之一。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 2 计算机仿真历史与现状 仿真模拟方法可以追溯到1 7 7 3 年，法国科学家用仿真模拟方法做物理实验【1 4 1 。但这种方 法直到计算机出现之后才得到迅速的发展，并逐渐成为- - n 独立的学科。计算机的发展经历了 模拟计算机、混合计算机、数字计算机的历史过程，相应的，仿真的发展也经历了模拟仿真、 混合仿真、数字仿真的历史过程。目前的计算机仿真一般指的是数字计算机仿真。 基于计算机的模拟仿真出现在2 0 世纪5 0 年代【1 5 l 。当时模拟机以并行高速运算，可直接联 接实物设备，尤其适于解算微分方程的突出优点而风云一时，使模拟仿真成为计算机仿真的主 流。但是它存在精度低、无逻辑判断功能和存贮能力，且处理非线性能力差等严重缺陷，终于 被后来的混合仿真和数字仿真所排挤，失去进一步发展势头。 6 0 年代至7 0 年代，空间技术发展推动了模拟机与数字技术相结合，从第一台混合计算机 用于洲际导弹仿真后出现了混合仿真技术应用的黄金时代。从仿真角度讲，混合机兼备模拟机 和数字机在功能和性能上的优点，是复杂大系统实时仿真最理想的工具。然而，由于它结构复 杂、价格昂贵，很难在一般场合推广使用。因此至今仅用于像航空、航天等少数部门和复杂大 系统的实时仿真。 7 0 年代后，微电子技术和数字计算机的迅速发展，促进了全数字仿真技术的崛起。至此混 合仿真逐渐失去了实时仿真的垄断地位，而数字仿真以优良的性能价格比优势成为计算机仿真 的主流。8 0 年代的全数字仿真技术促进了仿真方法学、并行技术、多媒体技术、分布交互式仿 真、虚拟现实技术的迅速发展，进而将计算机仿真从传统的工程领域扩展到社会、经济、生态、 作战等非工程领域。 我国仿真技术的研究与应用开展比较早，发展迅速【1 6 】。自2 0 世纪5 0 年代，在自动控制领 域首先采用仿真技术后，面向过程建模和采用模拟计算机的数学仿真获得了广泛的应用。同时 采用自行研制的三轴模拟转台的自动飞行控制系统的半实物仿真实验已开始应用于飞机、导弹 的工程研制中。6 0 年代，在开展连续系统仿真的同时，也开始对离散事件系统的仿真进行研究， 如交通管理和企业管理。7 0 年代，我国训练仿真器获得了迅速发展。我国自行设计的飞行模拟 器、舰艇模拟器、坦克模拟器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿 真器、汽车模拟器等相继研制成功，并形成一定的市场，在操作人员的培训中起了很大的作用。 8 0 年代，我国建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统。如射频制导导弹半实物仿真系统、 红外制导导弹半实物仿真系统、歼击机工程飞行模拟器、歼击机半实物仿真系统、驱逐舰半实 物仿真系统等。这些半实物仿真系统在武器型号的研制中发挥了巨大的作用。9 0 年代，我国开 始对分布交互式仿真、虚拟现实等先进的仿真技术及其应用进行研究。开展了对较大规模复杂 系统的仿真，由对单个武器平台的性能仿真发展为对多个武器平台在作战环境下的对抗仿真。 5 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 1 5 课题研究意义及主要研究内容 1 5 1 课题研究意义 人的感知信息，8 0 是通过视觉系统获得的，另外大约2 0 的外界信息是通过触觉系统来 实现的【2 】。同样的，机器人获取外界信息主要也是通过视觉传感器。然而机器人往往被要求工 作在各种不同的恶劣环境中，如黑暗、肮脏、泥泞的环境，以及大雾天和水下环境中。这时触 觉传感器成为了首选。其中触须传感器具有结构简单、适应性强、测量精确等优点，成为了国 内外研究的热点，并已经取得了很大的成绩。 d a v i dj u n g 等将触须传感器安装在机器人上，弥补了其他传感器的不足，提高了机器人的 灵敏性和适应性【1 2 ，1 7 ，1 8 ，1 9 】。k a n c k o 通过对触须根部扭矩信息的分析，提出了利用触须传感器检 测工件表面形状的方法，并将其应用于丁件的毛刺检测2 0 1 。b e b e k 将触须传感器应用于远程手 术，通过对器官活动的精确检测，减少远程操作者与现场器械之间的运动误差【2 1 1 。s c h u l t z 在利 用触须传感器实现位置检测和纹理识别的基础上，将其作为近距离视觉传感器，实现了复杂轮 廓的检测【2 2 】。 2 0 0 6 年1 0 月5 日的自然刊登了一篇关于触须传感器【2 3 1 的论文，再度引起了国内外学 者们的关注。美国西北大学一个科研小组发现老鼠触须触碰物体后产生的弯曲变化信息在其大 脑中可形成物体的三维模型。依照这一仿生学原理开发出一种触须传感器阵列装置。通过计算 触须的弯曲程度和触须力的变化精确的描绘出物体的形状和结构。文中介绍了运用触须阵列对 人脸进行扫描，再根据所得的接触点拟合出了人脸形状，如图1 1 所示。 嗣2 0 圈4 0 嗣6 0 嗣8 0 固10 0 图1 1 触须传感器阵列人脸模型扫描拟合示意图 根据国外研究情况可知，触须传感器具备其他传感器所没有的特性和优点，具有广泛的应 用前景。然而国内关于触须传感器的研究还很少，触须传感器相关的理论还很落后，实际应用 则更少。因此我们选择触须传感器进行研究具有重要的理论和现实意义。深入研究生物触须工 作机理，提出触须纹理识别、距离测量、轮廓检测等理论，并将触须传感器安装在机器人上， 提高机器人自主性和智能化水平，填补国内相关领域的空白。 6 在阅读了大量参考文献，了解了国内外触须传感器的工作机理的基础上，对触须传感器距 离测量和轮廓检测进行了研究，主要内容如下： 1 本文主要在提出了触须距离测量和轮廓检测理论基础上，运用数值模拟技术进行仿真验 证。做好本课题不仅要深入了解生物触须工作机理，还要对数值模拟技术有一定的了解。所以 首先对数值模拟技术进行了简单的了解，对课题中运用到的数值模拟软件a n s y s l s - d y n a 进 行详细的学习，并对课题中涉及部分的工作机理、求解算法进行了深入的研究。 2 将仿生触须看做一弹性梁，建立触须的力学模型。基于之前设计的触须传感器提出了两 种测量接触距离的新方法：通过移动和转动触须传感器触碰物体来测量接触距离。并根据触须 的力学模型推导出了各自的接触距离计算公式。对触须传感器连续触碰物体测量接触距离产生 的误差进行了分析。最后，在距离测量的基础上，提出了利用触须阵列进行物体轮廓检测的方 法，并推导出了具体的计算公式。 3 运用a n s y s l sd y n a 建立了触须和物体的有限元模型，分别进行触须移动触碰物体 和转动触碰物体的仿真。读取仿真数据，根据之前推导的计算公式进行分析处理，算出了接触 距离。对数据处理结果进行分析，验证了所提出方法的有效性和可行性。 4 在距离测量的基础上，运用a n s y s l s d y n a 建立触须阵列和物体有限元模型，进行 触须阵列扫描物体的仿真。并对仿真数据的处理方法进行了分析。根据之前推导的计算公式运 用m a t l a b 对计算过程进行编程，求出轮廓点。并根据轮廓点拟合出了轮廓曲面，实现了物 体轮廓的检测。 5 将触须传感器安装在机器人上，实现机器人在恶劣环境中的自主导航，是触须传感器的 一个主要的应用。这里我们设计了一仿生触须机器人，建立机器人虚拟样机和虚拟环境，在物 理实验之前，运用虚拟现实技术对机器人进行了避障研究，以便根据仿真实验数据改进机器人 机械系统和控制系统。 6 总结全文的主要工作和结论，并对以后的研究工作提出了建议。 7 仿生机器人触须传感器的建模与仿真研究 第二章数值模拟技术及a n s y s l s d y n a 2 1 数值模拟技术概述 数值模拟也叫计算机模拟，它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达 到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟是一种对复杂的工程和物 理系统进行仿真的技术，其应用范围包括：宇宙飞船、机械制造、电力工程、化工、生物工程 和材料科学。 十八世纪前人类主要通过实践经验和试验认识世界。十八世纪牛顿等科学家发明了微积分 与力学，从而人类有了第二种手段一理论研究探索自然。这种手段就是采用力学与微积分方法 把大自然的各种规律归结为一组常微分方程或者偏微分方程。但遗憾的是只有对这些微分方程 进行了大量的简化，即在极其理想的条件下，才能得到部分微分方程的解。这种理论研究方法 只能获得自然界某些规律的定性认识，因此还不能准确认识这些规律。 二十世纪四十年代电子计算机的发明和差分方法的提出，以及随后的有限元方法和有限体 积法，为数值求解微分方程，准确认识自然规律创造了客观条件，从而产生了人类认识自然的 第三种手段一数值试验与数值模拟。但是由于当时计算机能力的限制，人们对自然规律的认识 主要还是依靠实践经验和物理实验，数值模拟还只能起到参考与辅助的作用。 随着计算机的迅猛发展以及计算数学与应用数学的长足进步，进而能够精确求解各种复杂 的微分方程问题。数值模拟正逐渐成为人类认识自然规律的主要手段，物理实验逐渐变成辅助 手段。 由于数值模拟技术计算精度和可靠性，其