（机械设计及理论专业论文）变形移动机器人的虚拟仿真和动力学分析.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。智能移动机器人集人 工智能，智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体，跨计算 机，自动控制、机械、电子等多学科，成为当前智能机器人研究的热点之一而 对于移动机器人的研究，多少年来一直停留在一种运动姿态的研究上本课题在 研究各种移动机器人的基础上，提出了一种全新的变形移动机器人的概念为整 个移动机器人的研究开拓了一个新的研究空间。本课题通过虚拟样机技术对变形 移动机器人进行虚拟仿真，通过计算机仿真技术对变形移动机器人进一步了解。 文章通过查阅大量的过内外文献，介绍了移动机器人在国内外发展情况并提 出了变形移动机器人的新的研究思想。作者在介绍移动机器人的现状和移动机器 人的发展历史进行概述的基础上，对整个变形移动机器人的设计思想进行了描述。 本文首先提出了利用u g 软件对于其结构新颖性进行设计建模。并对变形移动 机器人的结构和运动姿态进行分析，进而通过u g 三维软件的设计功能和装配功能 建立起变形移动机器人的实体模型其次，介绍了变形移动机器人的运动学和动 力学问题，并运用了拉格朗日动力学算法和牛顿欧拉公式对其进行动力学分 析最后。介绍a d a m s 虚拟样机仿真软件的基本功能和使用，并运用a d a m s 对变形 移动机器人进行分析和仿真，建立变形移动机器人的虚拟样机。 本课题建立了变形移动机器人的虚拟样机，并成功的对虚拟样机进行了分析 和仿真同时还提出了变形移动机器人的前景。并对智能控制提出了初步设想。 关键字：机器人动力学结构设计u g 智能化 a b s t r a c 下 a b s t r a c t i n t e l l i g e n c em o b i l er o b o ti sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h es t u d yf i e l do f r o b o t i n t e l l i g e n c em o b i l er o b o ti sas u b j e c tt h a ti n c l u d ea r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e 、i n t e l l i g e n tc o n t r o l 、i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，p i c t u r e m a n a g e m e n t 、d e t e c t i o na n dt r a n s i t i o n 。a n dm o b i l er o b o th a st h ec o n t a c tw i t h t h es u b j e c to fc o m p u t e r 、a u t o c o n t r o l ，m e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s 。a n dt h e r e s e a r c ho ft h ei n t e l l e c t i v em o b i l er o b o ti st h eh o ts p o ti nt h es t u d yo f i n t e l l i g e n c er o b o t b u tt h er e s e a r c hh a sb e e ns t a y i n gi nt h er e s e a r c ho f ak i n do fm o v e m e n tp o s t u r ea l lt h et i m eo v e rt h ey e a r s t h i ss u b j e c th a s p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fak i n do fb r a n d n e wd e f o r m a t i o nm o b i l er o b o t o nt h eb a s i so fs t u d y i n gv a r i o u sk i n d so fm o b i l er o b o t s h a v eo p e n e du p an e ws t u d y i n gs p a c ef o rt h ew h o l er e s e a r c ha b o u tt h em o b i l er o b o t a n d t oo u to fs h a p em o b i l er o b o tg o e so nf i c t i t i o u se m u l a t i o nt h r o u g hf i c t i t i o u s p r o t o t y p eo fam a c h i n et e c h n o l o g y t h i st o p i cc a r r i e so nt h eh y p o t h e s i z e d s i m u l a t i o nt h r o u g ht h e h y p o t h e s i z e dp r o t o t y p i c a lt e c h n o l o g y t ot h e t r a n s f o r m a t i v em o b i l er o b o t ，f u r t h e ru n d e r s t o o dt h r o u g ht h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt ot h et r a n s f o r m a t i v em o b i l er o b o t t h ea r t i c l eh a si n t r o d u c e dt h em o b i l er o b o td e v e l o p m e n ta th o m ea n d a b r o a do ft h er o b o t ，a n dp u tf o r w a r dt h en e wr e s e a r c ht h o u g h to ft h em o b il e r o b o to u to fs h a p et h r o u g hc o n s u l t i n gc r o s s i n gal a r g en u m b e ro fi n t e r n a l a n d e x t e r n a ld o c u m e n t s o nt h eb a s i so ft h et h i n gt h a tt h ed e v e l o p i n g h i s t o r ya n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h em o b i l er o b o t ，t h ea u t h o rh a s d e s c r i b e dt h ew h o l ed e s i g ni d e ao ft h et r a n s f o r m a t i v em o b i l er o b o t t h i st e x th a sp r o p o s e du t i l i z i n gu gs o f t w a r et od e s i g nm o d e i i n gt oi t s s t r u c t u r en o v e l t ya tf i r s t a n da n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dm o v i n gp o s t u r e o ft h et r a n s f o r m a t i v em o b i l er o b o t ，a n dt h e np a s st h ed e s i g nf u n c t i o no f v 山东大学硕士学位论文 u gt h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ea n da s s e m b l et h ef u n c t i o nt os e tu pt h ee n t i t y m o d e lo ft h et r a n s f o r m a t i v em o b i l er o b o t s e c o n d l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e s k i n e m a t i c so fa n dk n o w l e d g eq u e s t i o no fd y n a m i c sa b o u tt h et r a n s f o r m a t i v e m o b i l er o b o t u s i n gl a g r a n g i a nd y n a m i c sa l g o r i t h ma n dn e w t o n e u l e r f o r m u l aa n a l y z ed y n a m i c st ot h er o b o t f i n a l l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e sa d a m s v i r t u a lp r o t o t y p es o f t w a r ea b o u t b a s i cf u n c ti o no fs o f t w a r ea n du s e ，a n d u s ea d a m sc a r r y i n go na n a l y s i sa n de m u l a t i o n ，s e tu pt h ev i r t u a lp r o t o t y p e o ft h et r a n s f o r m a ti r em o b i l er o b o t t h i ss u b j e c th a ss e tu pt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo ft h et r a n s f o r m a t i v e m o b i l er o b o t ，a n dt h es u c c e s s f u lo n eh a sc a r r i e do na n a l y s i sa n de m u l a t i o n t ot h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fam a c h i n e a l s op u tf o r w a r dt h ep r o s p e c to f t h et r a n s f o r m a t i v em o b i l er o b o ta tt h es a m et i m e a n dh a sp r o p o s e di m a g i n i n g i n t e l l e c t u a lc o n t r o lt e n t a t i v e l y k e y w o r d s ： r o b o t d y n a m i c sm a c h i n e r y u g v i 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 牛 日期：型堕丝囵兰! 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人 授权山东大学可以将本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和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：磷导师签名：盏! 坌! 日期：丝幽2 闰 j 第l 章绪论 1 1 机器人的发展综述 1 绪论 1 1 1 机器人的定义和发展 机器人是传统的机构学和近代电子计算机技术结合的产物，也是二十一世纪 高科技发展的一个重要内容从1 9 5 6 年第一台工业机器人的诞生到2 0 世纪6 0 年 代中后期，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于各个行业 随着机器人的不断发展和完善，对于机器人的定义也是多种多样的。其原因是它 具有一定的模糊性。1 9 8 7 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：。工业机器 人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机” 1 9 8 8 年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实 现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”我国科学家对 机器人的定义是：。机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与 人或生物相似的智能能力，如感知能力，规划能力、动作能力和协同能力是一 种具有高度灵活性的自动化机器”。 在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到 机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合随着人们对机器人技 术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗 透结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知，决策，行动和 交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、 医疗机器人，军用机器人，空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊 环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别这些机器人从外观上 已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同 应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出 更广阔的发展空间 山女：夫学硕十学静论文 1 1 2 移动机器人的发展 由于特定环境的需要，移动机器人是机器人学中人们研究的一类重要机器人。 早在6 0 年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。移动机器人分类( t h e c a t e g o r i e so fm o b i l er o b o t ) 移动机器人从工作环境来分，可分为室内移动机器 人和室外移动机器人；按移动方式来分：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇 形机器人、履带式移动机器人，爬行机器人等；按控制体系结构来分：功能式( 水 平式) 结构机器人、行为式( 垂直式) 结构机器人和混合式机器人：按功能和用途来 分：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等按作业空间来分：陆 地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人 关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、 履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以 使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者。有更多的方 面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环 境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移 动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多 的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染 等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研 究在世界各国受到普遍关注“” 1 2 虚拟样机的发展和应用 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e 简称v p ) 技术是一种崭新的产品开发方法，它 是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。我们采用的机械系统虚拟 样机( m e c h a n i c a ls y s t e mv i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术，是基于虚拟样机的机械系统 仿真技术，其核心是多体系统运动学和动力学建模理论及其技术实现。 机械系统虚拟样机技术源于多刚体系统动力学理论的研究。由于计算能力的 限制，经典刚体动力学的主要研究范围仅局限于简单系统。但是随着科学技术的 发展、国民经济的发展和国防技术的需要，人们越来越面临着更复杂机械系统的 第l 章绪论 运动学和动力学问题，如：车辆、飞机、机器人，航天器等的研制和开发对于复 杂机械系统人们关心的问题大致有三大类，即为静力学问题，运动学问题和动力 学问题，这都面临着大量复杂的代数和微分运算，以及大规模的复杂的微分一代 数方程组( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n ，简称d a e ) 这些复杂的机械系统的 运动学、静力学和动力学的性能分析、设计与优化向科技工作者提出了新的挑战 2 0 世纪6 0 年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支一多 体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了目前多体系统动力学已形成 了比较系统的研究方法。c h a n c e 等人应用吉尔( g e a r ) 的刚性积分算法并采用稀 疏矩阵技术提高了计算效率，编制了a d a 瞒( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 程序；h a u g 等人研究了广义坐标分类，奇异值分解等算法， 编制了d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 程序r o b e r s o n 和w i t e n b u r g 等人创造性地把图论学引入多体系统动力学。利用图论的一些基本概念和数学工 具描述机械系统各物体之间的结构特征。编出了程序雌s av e r d e s c h i e h l e n 等人 采用牛顿欧拉方法对多体系统进行建模并对此方法加以发展，在列出牛贤一 一欧拉方程之后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成独立变量，对完整约束系统 用达伦贝尔原理消去约束反力，对于非完整约束，则运用约当原理消除约束反力， 最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程，并编制了计算机程序n e w e u l k a n e 等人发展了一种用于复杂分析机械系统的新方法，这种方法起源于吉布斯( g i b b s ) 和阿沛耳( a p p e l l ) 的坐标概念，并且开发了基于符号推导的多刚体系统动力学分 析软件a u t o l e v 这些软件的开发和使用，极大地推动了机械系统虚拟样机技术的发展和实用， 促进了机械系统虚拟样机技术由分析专家的专用工具逐渐向普通工程技术人员易 于掌握的工程设计实用工具转变” 国内对机械虚拟样机技术的研究起步比较晚，无论在基础上，在软件工具， 或是应用情况上，相对于国际先进水平还是有相当大的差距但在多体系统动力学 和机构学的领域中以及相关软件开发方面，国内许多学者也做出了大量而有益的 工作。如上海交通大学刘延柱教授等人，采用矩阵法和图论相结合的方法，编写 旋量形式的牛顿欧拉方程，可使任意结构的多刚体系统动力学方程具有简练 山自：人中硕十擘衍论文 的表达形式：1 9 8 3 年梁崇高丌发了一个平面连杼机构运动分析的通用程序s k a l ； 1 9 9 2 年张纪元等开发了进行任意平面连杆机构运动分析的通用程序k a p l 和一类空 间连杆机构运动学分析的通用程序k a s l t1 9 8 8 年北京理工大学先后开发针对空间 机构进行运动学分析的软件k a s m ( k i n e m a t i ca n a l y s i so fs p a t i a lm e c h a n i s m ) 和通用机构运动学的g m k d s ( g e n e r a lm e c h a n i s mk i n e m a t i cd y n a m i cs y s t e m ) 1 9 9 0 年又进一步开发了在微机平台上运行的m g m k d s 。虽然这些软件都仅停留在实验室 阶段，难以在工程实践中应用。但对于缩小我国与国际上先进的机械系统虚拟样 机技术的差距起到了重要作用。 国外的虚拟样机技术的商品化过程已经完成并得到了广泛的应用。应用领域 从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通 用机械到人机工程学、生物力学、医学以及咨询等很多方面。虚拟样机技术在工 业上成功的实例有很多。如：1 9 9 7 年7 月4 日，美国航空航天局( n a s a ) 的喷气式推进 实验室( j p l ) 成功地实现了火星探测探路者( m a r sp a t h f i n d e r ) 在火星上的软着陆， 成为轰动一时的新闻。福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用这项技术，其 设计周期缩短了7 0 天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4 0 0 0 万美元，制造费用节省了1 0 亿美元。美国波音7 7 7 飞机采用了虚拟样机技术获得了 无图纸设计和生产的成功，是近年来引起科技界、企业界啜目的一次重大突破。 在国内，1 9 9 6 年，航天部上海航天局第八零五研究所，利用虚拟样机分析软 件a d a m s 完成了国防科工委项目“空间外翻式对接机构”的动力学仿真项目。其 目的是在空间站开发之前，预测空间站外翻式对接机构的性能，论证外翻式的结 构设计是否合理。利用三维动画形象的演示对接过程。机械系统虚拟样机技术是 一门新兴的技术，它有着广阔的丽景和市场”。 国外虚拟样机技术的商品化过程早已完成。目前有二十多家公司在这个日益 增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动力学公司m d i ( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 开发的机械系统动力学仿真分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m ) ，c a d s i 的d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k 。据世界 权威机构统计表明，在1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场d p a d a m s 软件占 据了总额近8 千万美元的5 1 份额。 第l 章绪论 a d a m s 软件一方面是虚拟样机分析仿真软件，可以进行静动力学运动学和动力 学分析另一方面又是虚拟样机开发工具，其开放的程序结构和多种接口成为特 殊行业的二次开发平台嗍 1 3 课题来源，。意义和目的 1 3 1 课题来源 在本课题之前，已经有许多研究人员和研究公司对移动机器人进行了多方面 的研究工作。如四足移动机器人，两足移动机器人，蛇行移动机器人，履带式移 动机器人等深入研究了各种单一移动类型的移动机器人的相关技术 综合国内外的移动机器人的发展状况，经过多年的研制和开发对于移动机器 人的研究已经取得了一定的成绩，各种不同类型的移动机器人已经应用于各种不 同的领域。但是，所研究的各种不同的移动机器人都是面对某一特定的运动环境 进行设计，当运动环境发生改变时，其运动能力大大降低，甚至无法进行运动 为此，本课题提出了一种更新型的变形移动机器人结构来提高移动机器人的运动 适应能力。 本课题是一项申请8 6 3 国家计划的课题研究，在对多种移动机器的研究基础上 提出的一种新型的移动机器人的研究 1 3 2 课题的意义和目的 面对国内外机器人研究不断发展和壮大，对于机器人的研究越来越深入，而对 于移动机器人的研究总是停留在单一运动形式上本课题一改以往的研究思路，把 研究的重点放到可以采用多种运动形式以适应环境变化的要求。使机器人在运动 中可以折叠，可以展开；既可以卧式行走，也可以立行；既可以用履带行走，也 可以采用匍匐、蠕动等运动方式而这些运动组合是以往移动机器人所不能同时 具备的，也是单一运动方式机器人所没有研究过的内容。本课题重点研究了变形 移动机器人的运动变形能力通过本课题的研究进一步了解变形移动机器人的可 5 山东大学硕士学位论文 行性分析，在此基础上。可以考虑更新颖的移动机器人的设计思路，如水陆两栖 机器人的构思，陆空变形机器人的构思等。 本研究课题的变形移动机器人具有隐蔽性、机动性、灵活性和很强的环境适 应性等特点其不怕翻滚、越障爬坡能力强，甚至可以在泥泞与沼泽中行走。变 形移动机器人可以在军事保安、探险救灾、宇宙探索等场合具有很好的应用价值。 同时，本课题研究也可以为机器人的各种运动和控制提供一个很好的研究平台。 通过运用u g 和a d a m s 建模和进行动力学分析和仿真，并在研究的基础上进行生产 机器人产品。在研究中将虚拟样机技术应用与产品开发和设计中，可以大幅度缩 短生产周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，获得最优化和 创新的设计产品 1 3 3 课题研究的主要内容 本课题的主要内容就是研究变形移动机器人。通过u g 的实体建模和a d a m s 的 动力学分析和虚拟仿真技术，建立变形移动机器人的虚拟样机，为生产变形移动机 器人的物理样机提供生产依据。 第一章介绍课题背景，国内外现状和课题的目的意义。同时简单介绍了虚拟 样机技术。 第二章介绍移动机器人的数学建模，重点介绍了移动机器人的自由度和结构 分析，并阐明了变形移动机器人的结构新颖性。 第三章介绍变形移动机器人的运动学和动力学分析，重点介绍运动学和动力 学分析中几个重要参数，并就动力学分析的方法进行介绍。 第四章介绍虚拟样机技术的基本知识，重点介绍了u g 和a d a m s 之间的转换 关系，同时分析了a d a m s 软件的功能，并在此基础上进行动力学分析 第五章介绍变形移动机器人的仿真和优化问题，对于虚拟样机的仿真进行阐 述和分析，并就进一步运用虚拟技术对设计进一步进行优化。 第六章结束语。主要概述本课题的研究结果和对课题进行评定和展望。 6 第2 章变形移动机器人的数学建模 2 1 引言 2 变形移动机器人的数学建模 移动机器人作为整个机器人行业的一种，也是机械工程学，力学。计算机科学。 自动化控制和电子工程领域相互交叉和渗透的结果。而机械工程是研究机器人运 动学，动力学，静力和变形的基础，为了描述机器人的空间运动，必须通过相应 的工具建立机器人的结构实体，而作为一个综合多种领域的机器人的研究。只有 建立一个完整而合理的结构实体，才能在此基础上进行进一步的分析如果把移 动机器人和真实的人相比，对于移动机器人的结构设计就像人的骨骼，而只有在 此基础上才能完成对移动机器人的添加运动和控制。就像对人进行神经控制系统 的添加。 2 2 移动机器人的结构分析和自由度分析 对于移动机器人的动力学分析和仿真分析，首先要确定机器人的结构和自由 度的关系，变形机器人的变形方式和移动方式的机构选择与设计最为关键。只有 对整体机构选择的简单合理便于检测易于操作，才能使机器人能根据不同的地形 情况，灵活地变化移动方式和运行姿态，最大限度地满足在各种复杂地貌情况下 的通过性能通过仿真软件对运动关节在不同的姿态和移动情况下的运动添加运 动副和运动约束，使的在运动申取得最佳的运动姿态和运动方式，实现移动机器 人在a d a m s 中的运动仿真，变形移动机器人的基本运动结构我们采用履带式的结 构形式”，下面几节我们就对移动机器人的结构和运动自由度进行分析。 2 2 1 移动机器人自由度的分析和实体建模 通过对各种移动机器人的研究分析，初步设计本变形移动机器人有四条履带， 八个关节，共有十二个自由度( 8 个关节驱动加4 个履带驱动关节) ，左右结构基本 7 山东大学硕十学付论文 上是一个对称结构。每一条履带都通过一个加长臂和两个关节和机器人主体相联， 如下图2 一l 所示： 图2 一l 在图2 - 1 我们可以看出躯体和伸长臂之间以及伸长臂与履带结构之间有8 个 驱动关节，存在8 个旋转自由度：在履带结构上( 也就是机器人最末端) 存在一 个驱动履带运转的4 个自由度。通过他们，每一条履带都可以实现任意角度或方 向的伸展，折叠或旋转。本机器人没有反正面之分，而且容易翻身，不怕翻滚。 本变形移动机器人根据不同的运动要求可以提供多种移动方式睁”1 。从而有很强的 环境适应能力和研究价值。 2 2 1 1 机器人各个实体部分的建立 为了适应外观造型的产品设计要求，变形移动机器人的结构和表面设计不仅 要能很好的完成其要求的运动姿态和工作能力还要求有完美的外形设计，因此变 形移动机器人的造型是一个复杂而困难的问题而要进行一个完善的面向机器人 运动学的仿真和动力学分析研究，首先必须解决的问题是如何方便、有效的在计 算机中建立机器人的数学模型和几何模型。 本机器人采用u g 软件进行实体建模，运用u g 强大的建模功能和装配功能进行 变形移动机器人的实体建模u 叭”1 。整个机器人实休可分为三个主要部分： 第一部分为变形移动机器人的躯体，采用对称的矩形腔体结构，无有正反之 分可以再运动中有更好的运动适应性。在设计中根据不同的工作要求，我们设计 的躯体尺寸不同，但是通过多次仿真过程的分析和经验可以知道我们采用矩形腔 8 第2 章变形移动机器人的数掌建模 体的宽度为长度的0 6 1 8 倍为最佳的结构尺寸，为了加工方便长宽我们采用0 6 2 倍的尺寸关系，高度和宽度的关系我们采用1 3 倍的尺寸关系。 第二部分为变形移动机器人的大腿( 伸长臂) 部分，共分为4 个相同的结构 实体，各个实体都可以通过连接关节旋转3 6 0 。可以在躯体翻倒后仍然保持良好 的运行姿态，在简化模型中我们设计的伸长臂长度为躯体长度的约2 3 倍，宽度 为臂长的约2 3 ，厚度为伸长臂宽度的约3 5 。 第三部分为变形移动机器人的履带结构，履带的设计可以按照履带的尺寸标 准进行选择，然后根据选择的履带进行履带的结构设计“”。此结构为移动机器人 的主要运动部分，通过履带和地面直接相接触，并且在特殊环境下可以通过履带的 支撑架进行站立和行走。其部分组成实体模型见下图2 - 2 图2 - 2 由于在加工过程中，变形移动机器人的整体尺寸可以采用不同的大小在本 文中，只给出关键结构的相对尺寸关系而不给出具体的各部件的具体尺寸，在加 工中通过给定的某一部件具体尺寸( 如躯体) 的出相应的其他部件的结构尺寸。 2 2 。1 2 机器人模型的装配 设计合理的机器人数学模型以及如何根据机器人数学模型生成其运动学模 型，是机器人运动学图形仿真解决的主要问题，也是计算机图形学仿真和机器人 运动学和动力学的桥梁。我们在建模中不仅要考虑到结构的外观性，还要考虑到 设计结构的和理性和实用性 在对变形移动机器人的各个组成实体部分建立的基础上，通过u g 强大的装配 9 山尔大学硕十学仲论文 功能建立变形移动机器人的运动实体模型“”。为了在进行运动学分析和动力学分 析时能更加真实和简便，对于一些和分析无关的组成部件进行简化处理，如将各 个关节的驱动电机进行简化处理，将电机的重量均匀添加到实体模型的各个相应 的运动部件，这样进行模型装配后在调入a d a m s 软件进行分析和仿真。可以使运 动仿真更加容易和真实。 整个实体模型的装配都是在u g 环境里进行的，将各个驱动电机和控制线路简 化后，实体装配只保留其结构组成实体部分，可分为履带部分、大腿部分和躯体 装配三部分。我们建立完机器人各实体模型后，进入u g 装配界面完成变形移动机 a 器人的装配，在u g 操作界面中我们选择快捷键旦，弹出图2 - 3 a 的对话窗口，点 会弹出所有建模中产生的部件名称，我们用鼠标左键进行打开， 弹出图2 3 b 所示对话框，由于在操作中的定位方式有很多中，在此就不做详细介 绍，我们可以参照州7 1 等材料进行找掌握。图2 - 4 是运用u g 软件装配好的变形移 动机器人的几种运动姿态实体模型。 图2 3 a图2 3 b 一个强大的图形建模软件，出来完善高效的图形建模功能外，还必须拥有强 大的模型库。在仿真系统中，模型库设计主要根据仿真环境及表现的需要，将仿 真模型统一为文件形式进行存储。这样可以最大限度支持模型重用，而不会因模 型重用带来数据存储量及仿真实验工作量的增加和数据调用时的丢失。在进行变 形移动机器人模型装配和进行运动学动力学分析时，采用了两种可以直接进行文 件转换的三维实体建模软件u g 力学分析软件a d a m s 。在u g 三维建恢软件中将各个 i o 第2 章变形移动机器人的数学建模 模型零部件通过软件的装配功能实现整体的装配，并在此基础上实现其运动学和 动力学分析。 2 2 2 移动机器人结构分析 本移动机器人的结构设计是一种全新的设计理念。通过移动机器人的结构变 形可以实现多种运动方式，对于变形移动机器人的结构，采用矩形体和圆柱体为 主，其关节采用圆柱触面方式进行运动，其结构不仅具有履带式移动机器人的基 本运动特性，同时还具有四足移动机器人的运动特性及其他如蛇行等运动方式。 由于变形移动机器人的结构设计不仅要满足其变形过程中的几何形状要求， 仿真模型的存储文件格式多种多样，没有统一的标准。变形移动机器人的模型存 储是建立在模型设计基础之上，为仿真建模和动力学分析服务的，即要存储建模 的各种几何信息，如几何组成、几何参数等“，又要兼顾仿真实验，做到层次结 构分明。使能够简单、有效的进行仿真实验。按照变形移动机器人的几何信息主 要可分为躯干、大腿( 四个) 、小腿( 四个) 和支撑足( 四个) 四个部分。其相 连关节是我们进行运动学和动力学分析的特殊关节点，其各关节点个部件如表2 1 所示： 部件名称说明关节 b o d y躯干无 左前 l e f t1 一t h i g h 左前大腿左前胯关节 腿l e f t1 一l e g左前小腿左前膝关节 右前r i g h t l 一t h i g h右前大腿 右前胯关节 l e g腿 r i g h tl l e g 右前小腿右前膝关节 左后 l e f t 2 一t h i g h 左后大腿左后胯关节 腿 l e f t 2 一l e g左后小腿 左后膝关节 右后 r i g h t 2 一t h i g h右后大腿 右后胯关节 腿 r i g h t 2 一l e g 右后小腿右后膝关节 表2 - 1 山尔大学硕+ 学付论文 现将装配后的几种运动姿态实体模型展示如图： 图2 - 4 2 3 移动机器人运动姿态的变化和分析 设计合理的机器人运动学模型以及如何根据机器人几何模型生成起运动学模 型和合理的运动姿态，是本研究课题运动仿真解决的主要问题，也是我们计算机图 形仿真与运动学和动力学分析之间的桥梁。 机器人的运动学主要研究机器人运动过程中在空间和时间上的运动特性。机 器人运动学设计的基本要求有两条。一是运动的稳定性，二是运动的真实性。所 谓运动的稳定性，就是要求机器人在运动时能够保正整体的平衡性，在运动中不 发生倾倒和摇摆现象，平稳的完成运动姿态和过程。而真实性是指机器人的运动 与自己的设计运动姿态以及运动过程( 或模拟真实动物的运动) 具有相同或者相 近的运动规律“们而对于本课题研究的变形移动机器人的运动，由于再运动中 机器人自动根据周围地理环境和运动环境的变化采用不同的运动姿态，因此要对 运动中的运动姿态的变化进行分析研究，而这也是其他移动机器人所没有涉及到 的一个新的理念。 第2 章变形移动机器人的数学建模 根据本课题研究的变形移动机器人的特点及基本要求，变形移动机器人运动 学仿真首先必须解决变形的步态设计和各种运动形式的步态设计，其次在变形移 动机器人的几何模型的基础上，运用运动学和逆运动学原理，研究建立变形移动 机器人机构运动的运动学模型，设计和调整各种基本运动和变形等的控制参数。 在运动学仿真的基础上，如何根据运动学仿真结果建立变形移动机器人的动 力学方程是动力学研究的主要问题。 2 3 1 移动机器人变形运动的意义和作用 对于单一运动方式的移动机器人，在机器人研究领域已经得到深入的研究， 如我们对于仿生鱼机器、蛇行机器人、四足移动机器人、两足机器人等单一运动 方式的移动机器人，都已经实现生产和应用但是这种单一方式的移动机器人在 应用中虽然有其独特的优点，然而其特定的运动方式也限制了其运动的环境适应 性和运动的效率问题。例如蛇行机器人，虽然蛇行机器人有良好的钻洞能力，在 狭小的洞穴里有很好的优点，但是其运动速度过慢，运动视野不够宽阔，跨越障 碍能力差的缺点也迸一步影响到了它的工作范围。 变形移动机器人在秉承了多种移动机器人的优点的同时，充分考虑到运动环 境对运动的影响，对于不同的运动环境采用不同的运动方式，采用不同的运动方 式有不同的运动方式的优点：如具有很强的运动隐蔽性、机动性灵活性，同时还 有很强的环境适应性和广阔的运动视野等特点。可以根据周围环境的变化调整运 动姿态，达到最高的运动的最佳选择和工作效率。如在平坦的路上可以采用站立 式履带式机器人的运动方式，可以在狭缝中采用平俯式履带运动，甚至可以在泥 泞与沼泽中行走。 因此，对于变形移动机器人来说其变形运动的特点有更好的环境适应能力和 经济效益，可以在军事保安、探险救灾、宇宙探索等场合具有很好的应用价值。 2 3 2 移动机器人变形的姿态分析 变形移动机器人有多种运动姿态，根据不同的运动环境采用不同的运动姿态， 山东大学硕+ 学伊论文 对于不同的运动采用不同的运动姿态分析，如在。1 提到的几种移动机器人的运 动特点。由于对于不同的单一运动姿态，在以前关于机器人的研究中进行了大量 的研究工作，在此就不在一一研究，只把变形移动机器人的几种常用的运动姿态 和运动环境简单进行论述： 一直立行走的运动姿态：当在草地或积水中进行工作时我们可以控制变 形移动机器人采用直立行走，此时采用的是四足移动机器人的运动方 式。 图2 - 5 二站立履带式的运动姿态：当在比较平整的运动环境中采用此运动方 式，能够提高运动速度，增加运动的平稳性，如生活中普通履带式运 动机械设备一样进行运动。 匿2 6 三卧式履带的运动姿态：当在恶劣环境而且运动环境比较狭窄时采用此 运动方式，能通过运动关节的变化减小运动变化的空问，提高运动的 隐蔽性。 第2 章变形移动机器人的数学建模 图2 - 7 四平铺履带式的运动姿态：当跨越狭缝而道路平坦时可以采用平铺履带 式运动姿态，提高运动速度和稳定性。 圈2 - 8 另外，还可以根据具体的工作要求采用各种变形。完成具体的工作要求和运 动姿态，调整好运动姿态还可以上楼梯和攀援一定高度的障碍物。 对于各种运动姿态在运动中随环境的变化而改变运动姿态时，由于单一的运 动姿态在以前的机器入研究中以进行了一定的研究，我们可以在研究中进行借鉴， 本课题就不在这上面花费大量的时间和精力进行研究。而在转变运动姿态时，所 要进行的运动分析和动力学分析是本课题研究的一个新的研究内容。 2 3 3 移动机器人结构新颖性 通过以上部分的介绍我们可以了解，本课题研究的变形移动机器人从结构上 讲，是一种全新的设计结构概念和创新，它突破了以往单一的运动方式的研究理 念，把多种单一运动方式的移动机器人实现完美结合，达到最佳的工作效率和实 用价值。 首先，本结构引用了对称结构设计，机器人翻转后不影响运动方式，可以前 后进行相同运动。 其次，各个关节相互独立，当某个运动关节不参与运动时，运用抱死装置， 山东人学硕十学付论文 保留原来的运动状态参与下一个运动方式，各运动关节经过分析和实验可以分别 进行自己的运动方式。 第三，调整好各个关节之间的运动姿态关系可以实现多种方式的运动。提出 了独立驱动协调控制转弯和运动的方案。 最后，运用良好的结构设计和运动仿真软件的结合，卫结构新颖性设计提供 了方便，也为我们在今后研究机器人领域提供了良好的操作平台。 由于我们的变形移动机器人结构新颖性的特殊的对称结构和独立变形能力， 使的变形移动机器人在使用中有更广泛的应用前景和研究价值。 2 4 本章小结 本章主要提出了变形移动机器人的数学建模思想，介绍了通过三维软件建立 实体模型，并对实体模型进行分析。同时提出了本课题对于研究的结构模型的自 由度分析和运动姿态的分析，并进一步阐明了结构研究的新颖性和实用性。 第3 章变形移动机器人的运动学和动力学分析 3 变形移动机器人的运动学和动力学分析 3 1 引言 变形移动机器人动态性能的好坏与我们采用的运动学设计的优劣、动力学设 计的算法效率高低息息相关本章我们通过运动学和动力学原理同仿真实验结合， 以变形移动机器人四足运动为例，对变形移动机器人的运动学和动力学特性进行 研究，并在此基础上对其他运动方式进行分析。 运动学和动力学是研究物体运动和作用力之间的关系。变形移动机器人是一 个复杂的动力学系统，存在严重的非线性，是由多个关节和多个连杆组成，具有 多个力和运动输入和多个输出，它们之间存在错综复杂的耦合关系因此要分析 机器人的运动和动力学特性，要采用非常系统的方法进行分析。 3 2 机器人分析的数学基础 移动机器人的运动学研究主要集中在运动的姿态和运动参数的设计上对于 复杂的运动一般都可以分解为几个简单的运动，如在机器人变形中的基本运动可 以通过几个简单运动组合而成我们可以对各简单运动进行分析，设计一个运动 姿态库，用来存储简单的运动姿态通过调用运动姿态库进行设计变形移动机器 人各种运动参数。 3 2 1 机器人的位置和姿态描述 3 2 1 1 位置描述 移动机器人主要是用来执行运动命令的智能装置，再运动中实现远程控制和智 能化运动，所以对组成运动部件的各个运动关节和特殊的运动点的空间位置和运 动姿态的求算值是研究移动机器人的基础。我们可以利用数学基础州在空问建立 任何一个空间坐标系统，建立坐标系后，我们就能用一个位鹭矢量来确定该空间 山东大学硕十学位论文