（工程力学专业论文）履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析.pdf

南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与 动力学分析 ab s t rac t p o r t abl e t r a c k mob i l e r o b o t h a s b e e n a h o t s p o t for i t s promi s i n g a p p 1 1 c a t i o n i nt h i st h e s i s ，p r e s e n tt h eg e n e r a t i n gb a c k g r o u n do fr o b o t s a n dt h es t a t u e sq u o o fr e s e arc hb o t hd o 口 e s t i c a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y .v i r t u a 1pro t o t y p ea n di t s s u p p o r t i n gt e c h n o l o g yareb r i e f 1 yi n t r o d u c e d .p o r t a b l et r a c k田b i l er o b o t， a s d e s i g n e d .i t st hre e 一 d i 配n s i o n a l叻d e l so fp art sa n da s s e 曲l i e s贾 e r eb u i l to n s o l i d w o r k s .a n ds o me p art ss t a t i cp e r f o r m a ncew a sa n a 1 y z e dw i t hc 0 s m 0 s w o r k s . acc o r d i n g t o g r e a t d i f f e r e n c e o f mov i n g p e r f o r 哑n c e b e t ， e e n t r a c k r o b o t and 贾 h e e l r obo t ， pute 即h a s i s o nt h e a n a l y s i so fd y n ami c s ， a n di n t r o duc ei t s r e c t i l i n e ar andv e e r smov e m e n t百 i t hd y n 胡i c smod e l . a i 田 i n g a t t h e s p e c i a l s t r u c t u r e o f t h e r o b o t ， t r a c k ，j o i n t ， t h i s p ape r 哑i n l y a n a l y s e s t h e w h o 1 ep r o c e s s o ft h et r a c k m o b i 1 e r o b o ti nc r o s s i n gt h e o b s t a c 1 e . andb u i 1 dt h em e c h a n i c se q u a t i o nf o re v e r y咖t i o ni nc r o s s i n gt h eo b s t a c l e . a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，e l abo r a t et h e助d e l 一 b u i l d i n gt h e o r i e sandt h e a n a l y z i n ga p p r o ach e so fa d 胡5 .5 1 哑1 a t et h er e c t i l i n e ar andc r o s s i n go b s t a c l e u s i n gd y n 恤i c sa n a l y s i ss o f t 份 area d a m s .a tl a s t ，o b t a i nt h er e l a t i o nb e t 职e n t h ec o n f l i c t i o na n dt h ep o w e r . 5 慨i n f o r ln a t i o nfort h er e s e arc ho ft h e 田 o b i l e r o b o ti sl) r o v i d e di nt h ed a y st oc 伽e . k e 妞o r d s :t h em o b i l er o b o t ，f e ma，a d ams ，s i mul a t i o n ii 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的 材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学 位论文的电 子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门 或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究生签名:年月日 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 1 绪论 1 . 1引言 由于机器人应用从制造业向非制造业方向发展， 以 及自 主移动智能机器人在诸如野 外作业、 深海探测和一些对人有危险的环境( 有毒、 火场、 排爆、 排险、 粉尘) 和人无法 接近或进入的场所( 星球表面探测、核工业环境场所检测、生化环境作业、战场、火山 口的采样和监测) 的作业中有着极其广泛的应用前景，促进了 移动机器人的研究发展， 并且近年来在许多方面都已 经取得了很大的 进展。 移动机器人最终必将成为各行业提高 生产力强 有力的工具l 刃 . 近些年来， 随着计算机技术的发展， 计算机图形处理能力日 益增强，以计算机为主 要工具的仿真技术也迅速发展起来， 并很快应用于工程领域。 在计算机辅助下进行机械 零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己 经逐渐成为机械设计的发展方向。 在传统的设计与制造过程中， 首先是方案设计及论证，然后进行产品设计。 在设计 完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验， 有时这些试验甚至是破坏性的。当 通过试验发现缺陷时， 又要回头修改设计并再用样机验证。 只有通过周而复始的设计一 试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的， 尤其对于结构复杂的 系统， 设计周期无法缩短， 更不用谈对市场的灵活反应了。 在大多数情况下， 工程师往 往为了 保证产品按时投放市场而中断这一过程， 使产品在上市时便有先天不足的毛病。 在市场竞争的背景下， 基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了 产品质量的 提高、 成本的降 低和对市场的占 有。 随着经济贸易的全球化， 要想在竞争日 趋激烈的市场上取 胜， 缩短开发周期， 提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应都已成为竞争者们 所追求的 运营方式， 谁早推出 产品， 谁就占 有市场。 然而， 传统的设计与制造方式却无 法满足这些要求。 计算机仿真技术很好的解决了这一矛盾，计算机运动仿真作为计算机仿真技术的 一个重要分支，可以 归入虚拟现实技术v r ( v i rtu a1 r ealit y ) 的范畴， 它汇集了 计算机 图形学、 多媒体技术、实时计算技术、 人机接口 技术等多项关键技术. 作为一门新兴的 高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。 尤其在航天、国防及其它大规 模复杂系统的研制开发过程中， 计算机运动仿真己 经成为不可缺少的工具。 借助于这项 技术， 工程师们可以 在计算机上建立机械系统的 虚拟模型， 伴之以 三维可视化处理， 模 拟其在现实环境下系统的 运动和动力特性， 并根据仿真的结果精化和优化系统的设 计。 计算机运动仿真技术己 经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、 工艺试验， 是获取 所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的 有力技术手段。 虚拟模型技术应当 属于计算机辅助工程( 以e)的一个分支， 它的 核心部分是多体系 l 南京理工大 学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 统运动学与动力学建模理论及其技术实现。 作为应用数学一个分支的数值算法及时地提 供了求解这种问 题的有效的快速算法。 近年来的计算机可视化技术以及动画技术的发展 为这项技术提供了友好的用户界面， c a d / f ea等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供 了 技术环境。 借助于虚拟模型技术， 设计过程先从整机开始， 按照“ 由 上至下” 的 顺序 进行， 这样可以 避免由于系统设计方面的失误而付出的昂 贵代价。 目 前，虚拟模型和计算机仿真技术已经广泛地应用在各个领域里: 汽车制造业、工 程机械、 航天航空 业、国防工业及通用机械制造业; 所涉及到的 产品从庞大的 卡车到照 相机的 快门， 天上的火箭到轮船的 锚机。 在各个领域里， 针对各种不同的产品， 虚拟模 型技术都为用户节省了开支和时间，并提供了满意的设计方案。 1 . 2 机器人发展阶段及方向 我们国家在机器人的研究， 开始于20世纪70年代后期，当时我们国家在北京举办一 个日 本的 工业自 动化产品展览会， 在这个会上有两个产品， 一个是数控机床， 一个是工 业机器人， 我们国家的许多学者， 看到了 这样一个方向， 开始进行了 机器人的研究， 但 是这时 候研究， 基本上还局限 于理论的 探讨阶段， 真正进行机器人研究的时间是在七五、 j 戈 五、九五、十五这二十年，发展最迅速的时候，是在1 9 8 6 年我们国家成立了8 63计划 是高技术发展计划， 就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿 的资金开始进行了机器人研究， 使得我们国 家在机器人这一领域得到很快地、 迅速地发 展。目 前主要单位像中科院沈阳自 动化所， 原机械部的北京自 动化所， 像哈尔滨工业大 学， 北京航空航天大学， 清华大学， 还包括中科院北京自 动化所等等的一些单位都做了 非常重要的 研究工作， 也取得了很多的成果，目 前我们国 家在高校里边， 有很多单位的 研究人员从事机器人研究，我们国家比较有代表性的研究: 有工业机器人， 水下机器人， 空间机器人， 核工业的机器人， 都在国际上应该处于领先水平。总体上我们国家与发达 国家相比， 还存在很大的差距， 主要表现在我们国家在机器人的 产业化方面没有形成规 模，也还没有固定的成熟的产品。 机器人有三个发展阶段，我们也习惯于把机器人分成三类:一种是第一代机器人， 也叫示教再现型机器人， 它是通过一个计算机， 来控制一个多自由 度的机械， 通过示教 存储程序和信息， 工作时把信息读取出 来， 然后发出 指令， 这样的机器人可以 重复当时 示教的结果， 再现出 这种动作， 例如汽车的点焊机器人， 只要把这个点 焊的 过程示教完 以后，它总是重复这样一种工作，但对于外界的环境没有感知， 操作力的大小，工件存 不存在， 焊的 好与 坏，它并不知道， 所以 第一代机器人存在它的 缺陷。 在20世纪70年代后期， 人们开始研究第二代机器人， 也叫 有感觉的 机器人， 这种有 感觉的机器人是模仿人的 某种感觉功能， 例如人的力觉、 触觉、滑觉、 视觉、 听觉等， 也就象人一样有了 各种各样的感觉。 在机器人抓一个物体的时 候， 它实际上力的 大小能 2 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 感觉出 来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、 大小、颜色。抓一个鸡蛋， 它能通过一个触觉，知道它的力的 大小和滑动的情况。 第三代机器人， 也是我们机器人学中一个理想的 所追求的最高级的阶段， 叫智能机 器人， 只要告诉它做什么， 不用告诉它怎么去做， 它就能完成运动， 具有感知思维和人 机通讯的功能，目 前的发展还只是在局部有这 种智能的 概念， 但真正完整意义的智能机 器人实际上并没有存在， 而只是随着科学技术的不断发展， 智能的概念越来越丰富， 它 内涵越来越宽。 未来的机器人将会朝着三个方面发展: ( 1)与人们的生活更为密切，为人们做出更多的服务。十年后，家中扫除、清洁的 工作或老人的护理保健的工作可能全由机器人取代。 美国旧金山的医院已开始使用机器 人为病人配、 送药、 服务。 美国的阿伊机器人公司的总裁接受媒体采访时表示， 该公司 生产的家用大扫除机器人产品， 2 0 02年只有一百二十万美元销售额， 到2 0 04年己 猛增10 倍以 上.还有家居的全自 动化， 无人驾驶的自 动汽车，等等。 (2 ) 趣味性、仿生性是机器人发展的大趋向. 以趣味性、仿生物性来制造机器狗、 猫、 鱼等动物。 像日 本三菱重工附 属公司ryome i eng i neeri ng研制成功的 金色机械鱼“ 金 鱼虎”长1 公尺，重25公斤，是一只不小的巨鱼，能自 动畅游于水中，可协助监察桥梁 的保安和搜集鱼汛的情况，监视河水污染等。索尼公司研制的 a ib。机器狗会对主人声 音有情绪反应，已能够模仿喜怒哀乐和恐惧等情绪， 将来可出现代替真正导盲犬的机器 狗。另外，电影 侏罗纪公园的恐龙机器人等也是例子。 这类仿生性机器人还被广泛 用于军事上的侦察救险、 情报传送， 甚至杀敌于无形的手段上去。 美国 夏威夷大学设有 水下机器人研究中心，已具相当 规模。 . 今年八月初俄罗斯迷你潜艇在海底为渔网所缠， 困于1 90米下的深海，就得助于英国的“ 天蝎”号救援艇之助而脱险的，“ 天蝎，号就 是海底机器人。 (3 ) 最重要的发展是人性化。在日 本爱知举行的万国博览会，被称为机器人的大展 览会， 有人甚至将之称作 “ 机器人万国 博览会”。 在展场中， 接待处、 大会清扫工作、 警备工作等，多以机器人的形式出现与取替。 博览会期间还举办多项人与机器人有关的 活动， 其中最引人注目的还是人工智能及人性化的 机器人的表演， 譬如接待处的一位女 性机器人能听、说六国语言， 而且说话时眼、 嘴皆 会动， 面部肌肉 也有活动。 大阪大学 工学院在人工智能机器人的开发方面有不俗的成绩，石黑浩教授制作 “ a ctroid re pli e e ”，以“ 电 视台 新闻 播 音员” 的 外貌现 世， 其手、 头和上身皆 可自 如活动， 外 形逼真，惟妙惟肖 。还有造型奇特有趣的高尔夫球机器人 “ 坎迪5 ”，它内置整个高尔 夫球场的 3d地形和球会会员的资料， 并设置有全球卫星定位系统， 能作3 60度自 如旋转， 它的系统将愈加精密， 并更具人性化， 科学家预计在2 0 20年完成其全部制作时， 它可充 当球并可从旁给予击球建议. 此外，还具有 “ 视觉”、“ 味蕾”的机器人，它的红外线 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 测定可以 对食物及饮品的成份、 含量马上做出 判定， 譬如将一只苹果摆在其手臂前， 可 以 打印出 该只苹果的 糖份、 维生素含量等。 最引 人注目 的 是机器人管乐队的演奏， 以 机 器人演奏真正的乐器， 而且队形不断变换， 演奏技术臻于上乘。 东京大学于今年八月公 布已 开发出 人的 仿真性皮肤， 可如人一样感受冷热、 痛楚、 温度反应， 甚至一些人的皮 肤未具有的 功能都可以 设定， 这对仿造机器人的生 命性又是一大进步。 我国的机器人研发工作基本上属于科学研究的项目， 中国科学院目 前已造出说话时 嘴唇能 够活动、 眼睛能转动、 具视觉功能的 机器人， 其水准可日 本同 行媲美， 但这台机 器人体形甚大， 不能以 双脚走路。 在日 本， 机器人能否以 二脚行走已 成为一个热门 及熟 练的 技术竞赛项目， 譬如有 “ 二足机械人竞赛大会”( 分等级) 。 其实， 机器人的制作绝 对并非只是液压机械与电子产品的混成物， 要将机器人造得越来越有人性化， 就要兼及 生命医学、 传感、 光学及创造性的 文化产业等方面，比 如机器人的关节就需要研究中医 的 经络学、 生物学上的神经刺激反 应以 及文化产品的某种造型 特征等等。 英国的 科学家 甚至预言， 到2 0 20年，随 着机器人愈来愈精密和使用有机零件制造， 它们将会受到“ 机 器人权”的保护。 1 . 3国内 外研究状况 虚拟模型和计算机仿真技术是一项涉及多个学科领域的前沿技术， 发达国 家于20世 纪80年代提出了相关概念，这项技术在过去的1 0 年里获得了迅速发展并达到实用阶段。 和一些先进国家相比， 我国在这个领域还有一定差距， 但已 经引起了国家有关部门和科 学家们的重视，九五规划、国家自 然科学基金、国家高技术产业规划都把虚拟现实技术 vr列入了 研究项目 。 国内 一些高校和研究部门 在紧跟国际先进技术的同 时， 也积极投入 到了 这一领域当中，并且取得了一定的 研究成果。 清华大学计算机科学与技术系对虚拟现实和临 场感方面进行了 研究， 在克服立体图 闪烁的措施和深度感试验方面采用了一些独特的方法. 他们针对室内环境的特点， 提出 借助图 像变换， 使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性， 以利于实现特征匹配， 并获取物体三维结构的新颖算法。 哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不少研究，他们使用 ope n g l 开发的 机构三维仿真软件成功地模拟出了 一些常用机构的 运动状态， 并在此基础 上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。 该校计算机系统成功地模拟出了人的脸部 动作，如表情的合成和唇动的合成。 浙江大学c a d 3 ds是目 前 世界上应用最广泛的三维建模， 动画，渲染软件， 被广泛地应用于电视及娱乐业中，该 软件功能强大， 使用方便， 但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能 被实时或交互更改， 如果用于运动仿真就显得柔性不足。 (3 ) 针对成熟软件的二次开发方法。 这些成熟的软件包括a utocad、 ug、 pro/e 、 5 o l i dworks等， 其a utocad二次开发多用于平面图 形，很少 应用与三维实体造型， 其余 几种软件本身就是工程软件， 对机械零件的造型能力很强， 其二次开发的接口 也比较成 熟，开发具有很大的灵活性，二次开发的产品很多已 经进入工程使用阶段。 本文基于s oli d w 叮ks进行机构运动仿真软件的 开发， 主要是从以 下几方面考虑: ( l)solidworks是当 今世界基于 n t/砰 i nd。 能平台的 三维机械c ad软件系统的 主流产 品，目 前己在国内外中小型企业中得到广泛应用。 (2 ) 易学、易用， 操作过程直观、简单，功能强大。 (3 ) 完全汉化，使用过程中 无任何语言障碍。 (4 ) 可向 下兼容二维a uto c a d ， 使得以 前采用auto c a d 进行的设计可以 继续使用和转 化。 (5 ) 根据需求，可以很方便地利用vb和vc+对其进行二次开发。 (6 ) 与其它三维设计软件系统具有非常好的兼容性。 南京理工大学 研究生学位论文履带 式移动机器人虚拟样机与动力学分析 1 . 4 1 . 4 . 1 虚拟样机技术 虚拟样机技术概述1阔 虚拟样机技术( v i r t u a 1p r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当 前设计制造领域的一门 新技 术， 涉及多体系统动力学、 计算方法与软件工程等学科。 它利用软件建立机械系统的三 维实体模型和力学模型， 分析和评估系统的 性能， 从而为物理样机的 设计和制造提供参 数依据。 该技术是指在产品设计开发过程中， 将分散的零部件设计和分析技术揉合在一 起， 在计算机上建造出产品的整体模型， 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿 真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。 虚拟样机技术是从分析解决产品 整体性能及其 相关问 题的角度出 发， 解决传统的设 计与制造过程弊端的高新技术。 在该技术中， 工程设计人员可以 直接利用c ad系统所提 供的各零部件的 物理信息及其几何信息， 在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械 系统进行虚拟装配， 从而获得机械系统的虚拟样机， 使用系统仿真软件在各种虚拟环境 中真实地模拟系统的运动， 并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析， 观察 并试验各组成部件的相互运动情况， 它可以 在计算机上方便地修改设计缺陷， 仿真试验 不同的设计方案， 对整个系统进行不断改进， 直至获得最优设计方案以 后， 再做出物理 样机。 可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的 运动及受力情况， 快 速分析多种设计方案， 进行对物理样机而言 难以 进行或根本无法进行的 试验， 直到获得 系统级的优化设计方案。 虚拟样机技术的应用贯串 在整个设计过程当中， 它可以 用在概 念设计和方案论证中，设计师可以 把自己的经验与想象结合在计算机内的 虚拟样机里， 让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时， 不但可以缩短 开发周期，而且设计质量和效率得到了提高。 虚拟样机是一个完整的基于计算机的产品研制的集中信息载体， 是根据产品设计或 概念描述产生的在功能、 行为以 及感官( 视觉、 听觉、 触觉等) 特性方面与实际产品尽可 能相似的可仿真数字模型。 虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及技术 实现， 是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、 信息管理技术、交互式用户界面技术 和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法， 具有无法比 拟的优点: ( 1)提供了一个全新的产品 研发模式。 虚拟样机技术以在计算机上构造数字化产品为目 标驱动，使得产品模型易于修改; 通过可视化技术和虚拟现实技术， 可以 直观、方便、迅速地分析、比 较多种设计方案， 确定影响性能的 敏感参数; 模拟各种真实工况下虚拟样机的 性能， 如不满足要求即可进 行修改， 修改过程即数字产品模型再“ 制造” 、再快速模拟分析过程，如此循环直至得 到满足设计要求的数字化产品模型。 6 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 (2 ) 更低的 研发成本、 更短的研发周期、 更高的 产品 质量。 不同 于基于串 行工程的传统物理样机技术， 基于并行工程的虚拟样机技术使得产品 的设计可同时由 不同学科的设计人员分工设计产品的 不同 部分; 在产品的 初步方案确定 后同时进行性能分析， 机构运动学和动力学仿真、 有限 元分析、 数控仿真等工作， 并根 据各自 的仿真分析结果提出改进措施。 而且通过虚拟样机可以 完成无数物理样机无法进 行( 由于成本和时间不允许) 的虚拟试验， 从而无需制造物理样机就可获得产品级的优化 设计方案。 不仅缩短了开发周期， 而且提高了 设计效率、 设计质量和一次开发的成功率。 虚拟样机技术的发展有赖于以 下几项技术的发展和进步: ( 1)智能设计技术. 以d 技术的出 现是产品设计历史上的一个里程碑， 它在很大程度 上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。但现有的c ad技术注重于外形细 节设计行为， 却忽略了 产品 概念信息的 描述。 实际上， 设计人员总是先考虑产品的 功能， 然后才设计出产品的外形.因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。 由 于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具 ( 如有限元分析、快速原型等) 、计算机辅助概念设计和以d 技术有机地集成起来，支持 产品几何定形前的功能规划和计算。 通过分析这种幕后的功能计算， 虚拟样机系统指导 设计者怎样将几何形状转化为易于装配的、 满足功能要求的、 具有合适工艺的 设计图 形。 (2 ) 并行工程。 并行工程是集成各种技术， 并行设计产品及相关过程的 一种系统方 法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。它要求产品开发人员从一开 始就考虑到产品整个生命周期的所有因素( 质量、成本、 工艺、结构、 性能等) ， 且要求 实现计算机网络环境下的 协同工作。 要实现同步的目 标， 其实质就是整个工作都要在一 个共享的数据库下进行信息交互。 (3 ) 仿真工程。 对于虚拟样机系统来说， 必须有一套能有效支持可制造性分析的产 品、工艺和生产系统模型。 产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据( 如形位公差 等) ;工艺模型包括统计分析、 计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等; 生产系 统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。 虚拟样机系 统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化， 以对产品设计、 工艺设计进行评估和优化. (4 ) 网络技术。 在网 络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的 生产方式。 利用分布 式设计与制造， 可以 实时 地决定合作厂家， 实现异地产品设计和制造， 不仅节约了 时间， 而且由 于分布节点之间的 关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上， 所以有利于 设计、规划和处理问题。 1 . 4 . 2 虚拟样机技术与多 体系统动力学 虚拟样机技术最初是源于对多体系统动力学的研究。 工程中的对象是由 大量零部件 构成的系统， 对它们进行设 计优化与性态分析时可以 分为两大类。 一类称为结构， 它们 7 南京理工大学研究生学位论文 履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 的 特征是在正常的工况 下构件间 没有相对运动， 如房 屋建筑、 桥梁、 航空 航天器与各种 车辆的 壳体以 及各种零 部件的 本身。 人们关心的是 这些结构在受到 载荷时 的强度、 刚度 与稳定性. 另一类称为机构， 其特征是系统在 运行过程中 这些部件间 存在相 对运动。 如 航空航天器、 机车与汽车、 操作 机械臂、机器 人等复杂机械系 统。 此外， 在研究宇航员 的 空间运动、 在车辆的事故中 考虑乘员的运动以 及运动员的动作分 析时， 人体也可认为 是躯干与各肢体间 存在相对运动的系统。 上述复杂系 统的 力学模 型为 多个物体通过运动 副连接的系统，称为多体系统。 对于复杂机械系统人们关心的问题大致有三类: 一是在不考虑系统运动起因的情况 下， 研究各部件的 位置与 姿态及其他们变化速 度与加速度的关 系， 称为系统的运动学分 析; 二是当系统受到 静载荷时， 确定在运动副制约下的 系统 平衡位 置以 及运动副静反力， 这 类问题 称为 系统的 静力学分析; 三是讨论载 荷与 系统运动的关系， 即 动力 学问 题。 研 究复杂机 械系 统在载荷作用下各部件的 动力学响应是 产品 设计中的 重要问题. 已 知外力 求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分， 称为动力学正问题。己知系统的运 动 确定 运动副的 动反力的问 题是系统各部 件强 度分析的 基础， 这类问 题称为动力学的 逆 问 题。 现代机械系统离不开 控制技术， 产品 设计中经常 遇到这样的问 题， 即系统的 部分 构件受控，当它们按某已知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。 这类问题称为动力学正逆混合问题。 目 前多 体系统动力学己 形 成了比 较系统的研究 方法。 其中 主要有工程中常 用的以 拉 格朗日 方程为代表的分析力学 方法、 以 牛顿一欧拉方 程为 代表的 矢量学方 法、 图论 方 法、凯恩方法和变分方法等。 由 于多体系统的复杂性， 在建立系 统的 动力学方程时， 采用系统独立的拉 格朗日 坐 标将非常困 难， 而采用非独立的笛卡尔 广义坐标比 较方 便; 对于具有多余坐标的 完整或 非 完整约束系统， 利用带乘子的拉氏 方程处理是十分规 格化的 方法。 导出的以 笛卡尔 广 义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程， 还需要补充广 义坐标的代数约束方程才能封闭。 综上所述， 虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动 力学建模理论及其技术实现。 作为应用数 学的 一个分支的数 值算法及时 地提 供了 求解这 种问 题的 有效的快速算法。 计算机可视化 技术及动画技 术的发 展为这项技 术提供了 友好 的 用户界 面。 c a d / f ea等技术的发 展为虚拟样机技术的应 用提供了 技术环境。目 前， 虚 拟样机技术已 成为一项相对独立的 产业技术， 它改 变了 传统的 设计思 想， 对制造业产生 了深远的影响。 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 2 三维实体的建模与装配 2 . l s o l i d 和r k s 开发技术简介6- 川 soll d肠rks 软件是在w i ndo ws环境下开发的三维实体设计软件，它能够充分利用 俄nd 仰5 的 优秀 界面， 为设计 师提供了 简易方便的工 作界 面。 s olidw orks首创的 特征管 理， 能够将设计过程的 每一步记录下来， 并形成特征管 理树， 显示 在屏幕的 左侧。 设计 师可以随时 点取任意一个 特征 进行修改， 还可以 随意调 整特征树的顺序，以 改变 零件的 形状。由于 s olid 砰 or k 全面采用w i nd舰5 的 技术， 因此在 零件设 计时可以对零 件的 特征 进行“ 剪切、 复 制、 粘贴” 等操作。 s olid而rks 软件提供 完整的 、 免费的 开发工具( a pi) ， 用户 可以 用微软的 v i su a1 b asic。 v isu al c + 十 或其它 支持ole 的 编程语言建立自 己 的应 用方案。 通过数据转换接口， s olid而r ks可以 很容易 地将目 前市场几乎所有的机 械c ad 软件集成到现在的 设计环 境中 来。 全面支持微软的o le技术。它支持o l ez. 0 的a pi后继开发工具已经改变了 以d / c a e / c am领域传统的集成方式， 使得不同的应用软件能 集成到同 一个窗口 ， 共享同 一数信息，以 相同的方 式操作， 没有文件传输的 烦恼。5 o l i dw orks软件在用户界面方 面的 方便程度是世界公认的， 该软 件自 1 9 95年问 世以 来， 先后共获得工业界的 十几次大 奖， 这在同 档次软 件中 是获奖次数 最多的 软件。 它具 有基于特征、 参数化、 实 体造型等 特点。 整个设计基于装配关系 进行， 装配的 基础要素是相关的 零件， 零件是由 若干参数 化的 可以 基于装配关系的 特征堆砌而成， 特征是一些与 机械设计的表达意图相 关的 一些 简单几何形体， 这些几何形 体的 基础是参数化的， 可以 基于装配关系的二维草图 或者三 维草图， 草图 是一些简单类 型的图 线， 可以 用几何关 系、 装配关系和驱动尺寸 加以 约束。 本课题首先利用 s olid 贾 orks强大的三维 建模功能，在 5 01记 w orks中 建立零 件图， 并装配成整体。 2 . 2 在s olid物rks 中 创建零配件及装配体 2 . 2 . 1 移动机器人结构设 计 目 前针 对各种复杂、 未知、 多变的 地形环境， 移动机器人必 须具 有良 好的 适应性和 灵活性，依靠自 身的功能， 克服环境的不 确定 性才能有效的完 成任务。 根据移动机器 人移动机构的特点， 移动机器 人主要有轮式、 腿式、 履带 式三种基本 结构及其组合式结构。 这些移动机构分别 具有各自 的 优缺点。 轮 式移动机器人具有高速 高效的性能， 其通过性和越障能 力较差; 腿式移动机器 人地形适应能力强， 具有较大的 机动性和越障能力， 其缺点 是速度和效率均比较 低， 机构 协调控制复杂， 对步法的 研究 掌握也比 较难; 履带式移动 机器人地形适应能力很强， 动载荷小， 设计紧凑， 其缺点是 l l 南京理 工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 2 . 3 有限 元法 与cos m o s 乳r k s ， 一 “ 2 . 3 . 1 有限元法 有限 元法是随 着电 子计算机的 发展而迅速发展起来的 一种现代计算方法。它是 20 世纪50 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的 数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限 元法简单的说， 就是将一个连续的求解域 ( 连续体) 离散化即分割成彼此用节 点 ( 离散点) 互相联系的有限 个单元， 在单元体内 假设近似解的模式， 用有限 个节点上 的 未知参数表征单元的 特性， 然后用适当的方法， 将各个单元的 关系式组合成包含这些 未知参数的代数方程， 得出个节点的未知参数， 再利用插值函数求出近似解， 是一种有 限的单元离散某连续体然后进行求解得一种数值计算的 近似方法。 由 于单元可以 被分割各种形状和大小不同的 尺寸， 所以 它能 很好的 适应复杂的 几何 形状， 复杂的材料特性和复杂的 边界条件， 再加上它有成熟的 大型软件系统支持， 使它 已经成为一种非常受欢迎的，应用极广的数值计算方法。 有限 单元法发展到今天， 己 经成为工程数值分析的 有力工具。 特别是在固 体力学和 结构分析的领域内， 有限单元法取得了巨大的进展， 利用它已 经成功地解决了 一大批有 重大意义的问 题， 很多通用程序和专用程序投入了 实际 应用。 同时有限 单元法又是仍在 快速发展的一个科学领域，它的理论、 特别是应用方面的文献经常而大量出现在各种刊 物 和 文 献 中 “ 1，。 2 . 3 . z c o s m o s， orks应用 s t r u c t u r a l r e s e arc handa n a 1 y s 1 sc o r p o r a t i o n( 简称s rac ) 创建于1 9 8 2 年， 是一个全力发展有限元分析软件的公司， 公司成立的宗旨 是为工程界提供一套高品质并 具有最新技术、价格低廉并能为大众所接受的有限元软件。 c osm o sworks 为设计工程师在5 o l i d而rks 的环境下， 提供比 较完整的 分析手段。 凭借先进的快速有限元技术 (ffe)，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的 分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。 c osmos贾 ork s 的 基本模块可以 对零件或装配体进行静力学分析、国 有频率和模态 分析、失稳分析和热力学分析。 ( 1) 静力学分析 一 研究零件在只受静力情况下， 零组 件的应力、 应变分布. (2)固有频率和模态分析 一 确定零件或装配的 造型与 其固 有频率的 关系。 ( 3) 热分析 一 在存在温度梯度情况下， 零件的 热应力分 布情况，以 及研究热量在零 件和装配中的传播。 南京理工大 学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 3履带 式移动机器人动力学分析 3 . 1概述 机器人动力学主要是研究机器人机构的 动力学。 对机器人动力学的 研究， 应该说在 机器人一出现就已 开始， 且随机器人技术的发展而不断地加以丰富和积累。 但比 较系统 和完整的 机器人动力学， 却是近些年才开始形成。 其基础理论为近年来迅速发展的多 体 系统动力学。 多体系统动力学可分为多刚体系统和柔性多 体系统动力学。 而本文只涉及 到多刚体系统动力学11-1. 。 对于多刚体系统有如下假设: 1 . 多刚体系统由刚体和铰链组成。 2 . 多体系统的拓扑是任意的。 链状， 树状，闭环。 3 . 铰链和力元存在于标准库中。 3 . 2直线运动 刚体运动是指物体上任意两点之间的距离保持不变的运动。 机器人运动学， 动力学 及其控制，实质上就是研究刚体运动的问题。 机器人前进由于履带的特殊性， 使得对其 分析比较复杂， 假定机器人的履带为不可拉伸而且十分柔软的带子， 带子上所有点都位 于同一个平面内。 如图3 . 2 . 1 所示， 为了方便描述假定履带相对于机器人的转速为叭 ， 履 带随车体一起前进的 速度为火 ， 履带 上任意一点的 速度就是这两个速度的矢量之和。即 yj =vx+火 j 奋 肺 图3 . 2 . 1履带直线运动图 理论状态下，履带接地段的绝对速度为0 ，而履带上半部的绝对速度为z vx 。 然而， 机器人在实际 行驶过程中， 总是伴随 着滑移和滑转现象。 产生这两种现象的原因 是履带 的转速与车体的 前进速度不相等， 导致履带接地段产生滑动， 绝对速度不等于仇 为了 研究机器人的运动规律及其运动性能， 必须首先研究外部环境对机器人的影 响。 主要表现为空 气阻 力、 地面及安 装设 备对其的影响。 机器人行驶过程中 受到的 外力: 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 重力、空气阻力、地面反力及牵引力。 ( 1) 重力砰 假设机器人左右两部分完全对称， 所以 机器人的 重心在其纵向 对称面上。 ( 2 )空气阻力 由于机器人的体型较小，而且速度不快，故空气阻力可以忽略不计。 ( 3 )地面变形阻力r 当机器人行驶时， 负重轮承受一部分机器人重量， 通过履带作用于地面.由 于大部 分地面是可变形的， 在负重轮负荷作用下， 履带下的泥土发生一定程度的下陷， 并将泥 土压紧。当负重轮驶过后，又由于地面具有一定的弹性， 地面的下陷部分地还原，因而 在每个负重轮的前面和后面的土壤产生不同 程度的变形。 根据 “ 坦克理论”，当地面为绝对塑性时，我们可得: 。 刀 ) r=2 习一 - - - 三 - 七 - - v ( l + d ) b d ( 3 . 1 ) 其中 f : 为一侧履带的负荷w /2， l 为履带接地长度， c 为地面垂直变形的刚性模数与土 壤性质有关，b 为履带宽度，d 为负重轮直径。 上式是由 很多简化和假设得到的， 而实际情况相当复杂， 所以 只能用于分析其影响 因素.根据试验数据，地面变形阻力与机器人对地面的法向负荷成正比: r= 从q( 3 . 2 ) 其中 q 为机器人对地面的法向负荷， ( 4 )机器人牵引力f 从为机 器 人行驶的 地面 变形阻 力 系数。 主动轮扭矩通过履带接地段作用于地面上，地面对履带接地段产生切向反作用力， 这切向反作用力的合力就是履带机器人牵引力f 。 在主动轮扭矩的作用下，后部工作履 带被拉紧， 并试图使接地段履带从后负重轮下拉出。由 于这段履带被机器人重量压在地 面上，引起接地段与地面之间的相互作用，地面对履带的纵向作用力( 机器人与履带无 相对滑动) ，这就是推动机器人前进的牵引力，也是机器人的主要外力。 地面对履带的纵向 作用力和地面的物理性质、履带的滑移、 滑转运动密切相关。履 带车辆在越野路面行驶时， 履带和土壤相互作用， 履带所受到的反力来自 于履带使土壤 产 生 剪 应 力 : 而 ” 随 的 反 力 ， 地 面 对 车 辆 的 纵 向 推 力 凡 仲。 地 面 对 车 辆 的 最 大 推 力 取 决 于 土 壤 的 最 大 抗 剪 强 度ha 阴。 了 云 = 十口t a n g 凡. = 月 几 .= a 十 g tan夕 ( 3 . 3 ) 式中， a一 履带接地段面积， 于纯粘土( 如饱和粘土) ，夕 g一 车辆的重量，c一 粘性系数，0一 内聚角 二0 ，凡 叮 = a c ， 对于纯摩擦土壤( 如干沙) ， c二 对 0 ， 南京理工大学研究生学位论文履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析 声 益二 g tano 。 (5) 电 机 驱 动 力rj 对 于 电 机 最 大 驱 动 力 为 rj ” 入 吟 “ ， 其 中 从为 电 机 的 最 大 输 出 扭 矩 ， 义 为 电 机 减 速 器的 减速比 ， r 为驱 动 轮的 半 径，叮 为 传 动系 统的 效 率系数. 所以 通过上式可得: 在粘性土壤中 要增加车辆推进力， 只有增加履带接地段的 面积， 与车辆的 重量无关;而对于摩擦性土壤， 若要增加车辆推进力， 只有增加车辆的 重量， 而与履带接地段的 面积无关。 所以 对于泥泞地面， 则需增加履带的宽度， 而对于干沙地 面或者碎石地面， 则需要增加机器人的负载， 这样才能提高机器人对不同路面的通过性。 3 . 2 . 1 履带机器人直线行驶动力学方程 在坡度为a 的斜坡上正常行驶时，履带机器人重心运动方程式可以表示为: m 令 一 艺 ; 。ij 其 中 艺凡 为 所 有 外 力 在 机 器 人 纵 轴 上 的 投 影 。 艺凡 = f 一 r 一 g sina = f一 认 = f一 凡 cos a+ s ina ) g( 3 . 4 ) 根据对牵引力、地面阻力和附 着力的分析， 可以 把机器人的直线行驶分为三种情况: 若 猛 之 乓 之 凡 ， 则 机 器 人 加 速 前 进 或 者 等 速 前 进 ; 若弓 凡， 则 机 器 人 减 速 甚 至 停 止 前 进 ; 若 弓之 凡 猛 ， 则 履 带 打 滑 . 3 . 3 转向运动 转向性能是履带车辆改变运动方向的能力， 它是评价履带车辆机动性的重要指标之 一。履带车辆在行驶过程中要通过不断的转向来修正车辆的行驶方向， 具有良好的转向 性能， 可以大大的 提高车辆的平均行驶速度。 另外， 履带车辆在执行任务过程中要通过 不断的转向来完成各种战术动作，具有良 好的转向性能，可以进一步发扬车辆的火力， 提高车辆的生存能力。 履带车辆良 好转向 性能的标志是: 具有较