（机械设计及理论专业论文）环境探测机器人运动性能仿真平台设计.pdf

摘要 本文以环境探测机器人与三维实体地形间的交互作为研究对象，对三维实体 地形生成技术及环境探测机器人的虚拟样机技术进行了研究。具体研究内容及成 果如下： l 、采用d i a m o n d s q u a r e 地形生成算法，首先生成地形框架的高程数据。然 后采用逆向工程技术，对地形框架的高程数据插值拟合生成环境的三维实体地形。 解决了探测环境中三维实体地形的构建问题。 2 、基于参数化技术建立了环境探测机器人( 球形机器人、轮式机器人、两 足机器人) 的虚拟样机模型，提高了环境探测机器人的建模效率。 3 、通过对a d a m s 软件的二次开发，采用c + + b u i l d e r 开发了“环境探测 机器人运动仿真平台 。该平台包括地形模块、机器人模块、运动仿真模块以及 后处理模块。能真实地模拟机器人在各种地形上的运动，实时显示机器人的运动 状态，分析评价环境探测机器人的运动性能。同时，该平台能为其他c a d 软件 生成的移动机器入提供仿真测试环境。 关键词：三维地形移动机器人参数化建模动力学仿真软件设计 a b s t r a c t t h i sp a p e ri so nt h er e s e a r c ho fi n t e r a c t i o nb e t w e e ne n v i r o n m e n te x p l o r a t i o n r o b o ta n d3 ds o l i dt e r r a i n ，t h e3 ds o l i dt e r r a i ng e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya n dv i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g yo f e n v i r o n m e n te x p l o r a t i o nr o b o ta r es t u d i e d t h em a i ns t u d y i n g c o n t e n t sa n do u t c o m e sa sf o l l o w s ： 1 t h ef i r s t ，t h ee l e v a t i o nd a t ao ft e r r a i nf l a m ew e r eg e n e r a t e db yu s i n g d i a m o n d s q u a r ea l g o r i t h mt h e n , b a s e do nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , 3 d s o l i dt e r r a i nw a sc r e a t e db yi n t e r p o l a t i o na n df i t t i n go fe l e v a t i o nd a t ao ft e r r a i nf r a m e ， t h ec r e a t i o no f3 ds o l i dt e r r a i nf o re n v i r o n m e n te x p l o r a t i o nh a sb e e nd o n e 2 t h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo fe n v i r o n m e n te x p l o r a t i o nr o b o t ( s p h e r i c a lr o b o t ， w h e e l e dm o b i l er o b o t s ，a n db i p e dr o b o t ) i sc r e a t e db yp a r a m e t e r st e c h n o l o g y , i tc a l l e n h a n c e st h ee f f e c t i v e n e s so fe s t a b l i s h i n gm o d e l 3 b a s e do ns e c o n d a r ye x p l o i to fa d a m ss o f t w a r e ，“t h em o v e m e n ts i m u l a t i o n p l a t f o r mo fe n v i r o n m e n te x p l o r a t i o nr o b o t i sc r e a t e db yd e s i g na n dd e v e l o p m e n to f c + + b u i l d e r t e r r a i nm o d u l e ，r o b o tm o d u l e ，s o l u t i o nm o d u l ea n dp o s tp r o c e s s o r m o d u l ea r ei n c l u d e di nt h em o v e m e n ts i m u l a t i o np l a t f o r m t h i sp l a t f o r mc a nr e a l l y s i m u l a t et h el o c o m o t i o ns i m u l a t i o no ft h er o b o tr u n n i n go ne v e r yt e r r a i na n dc a n r e a l - t i m ed i s p l a yt h em o v e m e n tv e l o c i t y , c e n t r o i dp o s i t i o n ，a n dm o v e m e n ts t a t u so f e a c hp a r to ft h er o b o t ，a n da n a l y s i se v a l u a t em o v e m e n tp e r f o r m a n c eo fe n v i r o n m e n t e x p l o r a t i o nr o b o t t h i sp l a t f o r m a l s oc a np r o v i d et h ee n v i r o n m e n to fs i m u l a t i o n a n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c et e s tf o rt h em o b i l er o b o t sc r e a t e db yt h eo t h e rc a d s o f t w a r e k e y w o r d s ：3 dt e r r a i nm o b i l er o b o tp a r a m e t r i cm o d e l i n gd y n a m i cs i m u l a t i o n s o f t w a r ed e s i g n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：旌垂匡嵯日期边! ：! ： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盔塾主鹾毖 日期幽! ：圣： 导师签名：垄盈鲤日期毖互3 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 日前召开的中科院中长期科技发展规划和战略研究高层论坛透露，中科院地 学部已完成关于地球科学国家中长期发展规划战略研究咨询报告，初步提出了 未来1 5 年到2 0 年地球科学发展的六大重大战略研究方向，并确立了以月球和火 星为主的深空探测工程研究。 据悉，中科院还为这些研究方向确定了相应的两个研究平台建设和两项重大 工程研究。两项重大工程研究包括地球空间信息系统科学技术和以月球和火星为 主的中国深空探测研究。中科院空间科学与应用研究中心正在制定火星探测规划， 根据规划设想，预计到2 0 2 0 年我国有望发射自己的火星探测器，环绕火星进行探 测【1 1 。 由此可见，在我国进行深空探测移动机器人的研究是国家发展的需要，有着 广泛而深远的意义，具体如下： 行星环境探测移动机器人( 简称p e r ) 是着陆探测和取回样品到实验室 分析的有力工具【2 】。 大大节省探测成本：根据初略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要 比无人驾驶飞行多五十到一百倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行 无人驾驶飞行任务是合算的【3 】。 长期实地考察的需要：人类在太空中停留数月之久会严重失去钙和磷一这 似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行六至九个月或更长的时间吲。但 机器人不存在这个问题。 有利于提高一个国家的国防实力和国际地位。 因此，环境探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。环境探测移动 机器人的研究涉及多种学科和技术，研究课题很多。本文主要研究了复杂地形生 成技术及地形因素对机器人性能的影响。 1 2 环境探测机器人的研究现状 环境探测机器人属于移动机器人研究领域。国外从从2 0 世纪6 0 年代就开始 研制移动探测机器人。美国和前苏联在移动探测机器人的研究方面处于世界领先 地位。移动探测机器人的发展可以分成几个特殊阶段【4 】：第一阶段：6 0 年代美国 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 与俄罗斯开发了载人与不载人的月球漫游者。第二阶段：8 0 年代n a s a 为完成去 火星取样并返回的使命两建造了大型的探溅器，但这个计划最终放弃了。第三阶 段：9 0 年代开发了小型的火星漫游者和月球漫游者。 按机器人移动机构的特点，环境探测机器人可分为以下几类：轮式、腿式、 轮腿式、履带式、球形和其他的形式，下面将介绍几种典型机器人的研究现状。 一、移动探测机器人的国外研究现状 ( 1 ) 四轮移动探测机器入n o m a d 美国卡内基梅隆大学机器人研究所野外机器人中心研制的n o m a d 机器人是 新一代月球和火星科学探测实验车【5 l 。n o m a d 采用l u n o k h o d 的自包含电动轮模 块概念( 自包含轮模块已经成为行星探测车辆的标准。它是指轮的驱动系统和控制 系统都做在轮体内) 、r a t l e r 和r o c k y 系列( 火星漫游车) 的转向节悬挂机构、 l r v ( l i g h tl u n a rr o v e r ，轻型月球漫游车) 与r o c k y 系列的新型显式转向连杆 机构和l r v 的自动轮距扩展概念。另外，n o m a d 还采用了变形底盘来实现从存 储模式到展开模式的轮距扩展。n o m a d 的变形底盘、内部车体均化系统和轮内推 进极大地提高了移动性、稳定性、可控性、易操作性和易维护性。为了平均轮上 的力，n o m a d 采用两个称为转向节的浮动边框架，每个转向节分别作为左右轮的 支撑机构，并通过边框架绕中心轴旋转使所有轮子在崎岖不平的地形上与地面的 接触压力均等。均化机构的中心枢轴在垂直方向有一个自由度，轮偏距最大可达 5 0 厘米。车体的俯仰和滚转均化使得n o m a d 在保证很好的移动性同时，可以有 很好的稳定性。这使得可以得到精确的传感器输出。n o m a d 的转向有三种方式： 差速、艾克曼转向和原地转向。差速转向用在车体未展开时和转向电机故障时( 因 为轮子不是尖的，这种方式需要轮子克服滑动摩擦力，这需要较大能量，显式转 向可以大大地减少能量的消耗) ，原地转向用在机器人被困住的时候，而多数情况 下采用艾克曼显式转向。n o m a d 可爬越障碍高度0 5 米，最大速度0 ，5 米秒，平 均速度0 3 米，秒。n o m a d 于1 9 9 7 年7 月在智利的阿塔卡马沙漠( a t a c a m ad e s e r tt r e k1 9 9 7 ) 、1 9 9 8 年冬天在南极( 图1 1 ) 分别进行了实地测试。 ( 2 ) 六轮行星探测机器人r o c k y 系列 美国喷气推进实验室( j p l ) 在行星表面科学探测漫游车技术方面代表了这 个领域的最高水平。他们设计的r o c k y 系列。如：r o c k y1 、r o c k y3 0 、r o c k y3 2 、 r o c k y 4 、r o c k y 7 ( 图1 2 ) ，是从m f e x 小型漫游车( 1 9 9 6 年成功地完成了预定 的火星表面科学探测计划) 演化而来的新型火星漫游车1 6 , 7 1 。r o c k y7 火星车重 1 5 i v o i dr e c u r c ( n ) r e c u r _ a ( m ) ； 过程r e c u r a 的内部调用了过程r e c u r _ b ；过程r e c u r b 的内部调用了过程 r e c u r _ c ；过程r e c u r c 的内部调用了过程r e c u ra ；这相当于过程r e c u r a 间 第二章三维实体地形生成技术 接地调用了过程r e c u ra 自身。 实质上，递归是利用计算机中压栈和出栈的功能，重复地运用某些规则来生 成嵌套的结构。这里所谓的“压栈”，意思是暂时停止目前进行的操作，但并没有 把当前的信息忘掉，然后去完成更低一级的任务；而“出栈”则正好相反，是结束 在这个层次上的操作回到更高的层次上来，重新开始因为“压栈”而中断的操作。 分形的自我相似、自我复制和自我嵌套，让人很自然地想到可以用计算机的 递归算法来生成分形图。事实也是如此，对那些经典分形图的绘制，大多可采用 递归算法。 ( 一) k o c h 曲线的递归算法 图2 4 是按照k o c h 曲线生成规则设计的一个关系示意图，用来帮助建立k o c h 曲线的递归算法。其中，( a x ，a y ) ，( b x ，b y ) ，( 饯，c y ) ，( d x ，d y ) ，( e x ，e y ) 分别是各 关键点在绘图区域中的坐标，a l p h a 为曲线隆起的角度，三为曲线中每一线段的长 度。 ( ，a y )( 奴b y ) 图2 4 k 0 c h 曲线示意图 算法步骤如下： a ) 给定初始直线( a x ，a y ) 一( b x ，b y ) ，按k o c h 曲线的构成原理计算出各关键点 的坐标如下： 口= 甜+ ( 如一a x ) 3 ， e x = b x - ( b x a x ) 3 ， c y = 缈+ ( b y - o , ) 3 e y = b y 一( b y - a y ) 3 三= 玎( ( 蹦一戗) 宰( 职一以) + ? 一钞) 宰( 砂一功( 2 - 1 ) a l p h a = a t a n ( ( e y - c y ) l ( e x - c x ) ) d x = c x + c o s ( a l p h a + 3 1 4 1 5 9 3 ) 幸三 d y = c y + s i n ( a l p h a + 3 1 4 1 5 9 3 ) l b ) 利用递归算法，将计算出来的新点分别对应于( 锻，a y ) 和( b x ，b y ) ，即 然后利用步骤a ) 中的计算公式计算出下一级新点( 四，钞) ，( 出，砂) ，( 髓，缈) ， 并压入堆栈。 刁 - q 秒砂方秒 卜 卜 卜 卜 砂砂 批挑阢 卜 卜 卜 卜 咖渤加咖咖咖咖拙 卜 卜 卜 卜 缈缈缈缈 妣 卜 卜 卜 卜 研 甜 甜 甜 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 c ) 给定- 4 , 量c ，当三 c 时，被压入堆栈中的值依次释放完毕，同时绘制直 线段( a x ，a y ) 一( b x ，b y ) ，然后程序结束。 ( - - ) s i e r p i n s k i 垫片的递归算法 按照上一节中给出的s i e r p i n s k i 垫片的生成规则，借用递归算法是比较容易 实现的。 a ) 如图2 5 所示给出初始三角形中心点的坐标( x ，j ，) 和三角形的边长三，便可 计算出三角形的3 个顶点的坐标，并画出初始三角形。 fx l = x 一纠2 ，y l = y l 木t a n ( 3 1 4 1 5 9 ) 2 x 2 = z + l 2 ，y 2 = y l 母t a n ( 3 1 4 1 5 9 ) 2 ( 2 - 3 ) i x 3 = x ，y 3 = y + l 宰t a n ( 3 1 4 1 5 9 ) ，、 r i z l 。 众忿 图2 5s i e r p i n s k i 垫片示意图 b ) 根据a a b c 中心点的坐标( x ，y ) 计算出各边中点的坐标，并画出3 条边中点 之间的连线，从而形成4 个小三角形a a d e ，a b e f ，a c d f ，a d e f 。 c ) 设定递归深度，利用递归算法，分别对a a d e ，a b e f ，a c d f 执行步骤 b ) ，每次执行边长为上一步的一半，即l = 1 2 ，并压入堆栈，同时使递归深度值 减l ，知道递归深度值等于l 时，上方堆栈，并画出相应的三角形。 2 2 3 地形高程数据生成 分数维布朗运动数学模型是现代非线性时序分析中的重要随机过程，能有效 表达自然界许多非线性现象。分形地形技术是将分形几何与分数维布朗运动数学 模型相结合，常用的方法有泊松阶跃法、傅里叶滤波法、中点位移法、逐次随机 增加法和带限噪声累计法等5 类，其中，中点位移法是标准的分形几何法，它用 作快速地形生成，也是一种常用的随机分形算法 2 4 1 。 ( 一) 一维中点位移算法 图2 6 为一维随机中点位移算法的流程框图。 第二章三维实体地形生成技术 随机生成一水平线段 否 i - - 1 、i 一 找到线段i 的中点 在y 方向上随机移动中点一段距离 减少随机数取值范围 上 i = i + 1 i i 结束 图2 。6 一维随机位移算法 其中线段中点位移y 。埘值可用式( 2 4 ) 来表示 y 。耐= ( j ，( 口) + 少( 6 ) ) 2 + ，( 2 - 4 ) 式中：y ( a ) ，y ( b ) 表示线段两端点的y 坐标值，为一随机值。每一步随机 变量，值减小。在程序中，由一常数乘以r a n d ( ) 函数获得，r a n d ( ) 是产生正态 分布n ( o ，1 ) 的随机数函数。 通过改变，- 的值可以获得不同的高度，同时随机数，值的减少速度不同，得到 的轮廓形状也不同。例如，设每次循环使用的随机数取值范围是上次的2 一日倍 ( h 为0 到1 2 间的数) ，图2 7 为日取不同的值时得到的曲线。 图2 7 日取不同值时得到的曲线 ( 二) 二维中点位移算法 将上述一维中点位移算法改进后运用于矩形平面即为二维中点位移算法。通 1 4 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 过对二维中点位移算法的d i a m o n d s q u a r e 地形生成算法的研究，采用该算法生成 地形框架的高程数据。但是，不对这些高程数据光照、颜色渲染和材质处理形成 虚拟地形，而是将这些地形高程数据的坐标值输出，导入到逆向工程软件 i m a g e w a r e 中进行插值拟合还原出三维实体地形。d i a m o n d s q u a r e 地形生成算法 是从由种子点组成的正方形开始，通过采用若干次随机中点位移方法，不断细分， 最后获得逼真的三维地形仿真图。图2 8 为地形高程数据生成方法框图。具体过 程描述如下。 生成条件确定 上 地形特征参数： 地形长度，宽度，最大高程和最小 高程等 、l 形成一定数最规则分 布的点 上 输出数据高程点坐 标值 图2 8 地形高程数据生成框图 1 ) 初始化二维数组n n ( n 为2 的整数次幂加1 ) 并将4 个顶角值设置为相同 高度，也可以设置为不同的高度。图2 9 所示为一个5 x 5 的数组的d i a m o n d s q u a r e 算法流程，其中对图2 9 ( a ) 的4 个顶角的高度值进行了初始化，用”，表示。 ， 删 ( a ) 初始化角点 r ， ， ， r ( b ) 计算对角线点 器 ( e ) 计算新的 四边边线中点 图2 9d i a m o n d - s q u a r e 算法 2 ) d i a m o n d 步，如图2 9 ( b ) 所示。取5 x 5 正方形，用二维随机中点位移算法 为其对角线交点生成一个随机高度值，即： z 。= ( z o + 乙+ 乙+ z 矗) 4 + r 。( 2 5 ) 式中心为随机数，在程序中心由常数乘以r a n d ( ) 函数获得，r a n d ( ) 是产生正 态分布n ( o ，1 ) 的随机数函数。 3 ) 如图2 9 ( c ) 所示通过式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 计算出四边边线中点的高度为： 第二章三维实体地形生成技术 z 。= ( z 。+ z b ) 2 + r 。，z ，= ( z b + z 。) 2 + r ， ( 2 - 6 ) z g = ( z c + z d ) 2 + r g ， z h = ( z d + z 口) 2 + 尺 ( 2 - 7 ) 式中r 。、rr 、只。、也均为随机数，在程序中由一常数乘以r a n d ( ) 函数获得， r a n d ( ) 是产生正态分布u ( o ，1 ) 的随机数函数。将一个5 5 正方形细分成四个3 x 3 正方形。 4 ) s q u a r e 步：为上述每个3 3 正方形生成对角线交点的高度值。计算时其随 机偏移距离应再加上与d i a m o n d 步相同的同步随机分量。 5 ) 对上述过程进行迭代，直到达到规定的次数或规定的距离。同时，每次迭 代过程后随机分量相应的减小。图2 9 ( e ) 为迭代2 次生成2 5 个点的网格图。 6 ) 将上述迭代过程中生成的数字高程点的三维坐标值输出到指定的文本文 件中，为下一步生成实体三维地形提供地形高程数据依据。 2 3 实体三维地形生成 目前，很多关于月球车仿真的研究都是基于虚拟现实技术，这种方式能给人 很好的沉浸感和直观性，但是并不能真正检测机器人的探测性能、攀爬凹凸不平 地形的能力以及各部件的运行状况。本节通过逆向工程软件i m a g e w a r e 将上节生 成的地形高程数据生成地形曲面，再通过u g 等c a d 软件转换成a d a m s 软件 能识别的实体地形，为机器人的仿真提供随机复杂地形环境。 2 3 1i m a g e w a r e 软件点生成面 i m a g e w a r e 软件由e d s 公司2 0 0 5 年初发布，是著名的逆向工程软件，它处 理数据的流程遵循点一曲线一曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。其处理 过程如下1 2 5 矧： ( 1 ) 读入点云数据 可读入多种不同类型的点云数据。 ( 2 ) 整个模型是否存在多个点云 一些模型因为扫描仪关系或模型的形状需要多次扫描。 ( 3 ) 将多个点云对齐以创建完整的点云模型 如果模型被正确扫描，它将会有一些参考点来帮助将多重点云对齐。 ( 4 ) 可视化点云即查询点云信息 这里由许多种方法来观察点云以及得到点云的信息。 ( 5 ) 删除不需要的杂点 1 6 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 可以手动或自动的删除不需要的点。 ( 6 ) 预先为将来的曲面规划点云和截面 将点云图打印出来并且在上面草绘出曲面应怎样放置也许会是一个好注意。 ( 7 ) 创建点网格和片段 利用横截面，点云上的扫描线或手工选取点等方法来创建网格。 ( 8 ) 查询点云的精确度和平滑度 将最初显示的点云与模型的原来的外型相比较。 ( 9 ) 光滑曲线创建命令可以越过这一步 这将取决于设计者的决定。光滑曲线创建命令可以越过这一步， ( 1 0 ) 清除不精确的点网络和将粗糙的点云变光滑 减少杂点和将点云变光滑有助于以后的工作。 由于本课题的地形高程数据点是由v i s u a lc + + 所生成的。而且在程序编写时， 已经将重点和杂点删除掉，因此得到的点云是精确的。所以采取的以下处理过程： ( 1 ) 读入点云数据，即读入由上一节分形算法生成的地形高程数据。如图2 1 0 所示。 - - - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。 - - - - - - - - - - - - - - - - 图2 1 0l m a g e w a r e 中点云数据 ( 2 ) 分别从x , y 方向顺序地通过点云数据中的点创建3 db s p l i n e 曲线，形成 地形框架。如图2 1 1 所示： 图2 11i m a g e w a r e 中地形曲线 ( 3 ) 曲面重构。i m a g e w a r e 提供了多种曲面重构的方法： ( 1 ) u v 向量线构建曲面：根据指定的u 向量线和v 向量线创建曲面。 第二章三维实体地形生成技术 ( 2 ) l o f t c u r v e s 构建曲面：根据指定一系列同方向的曲线创建曲面。 ( 3 ) 由点云和曲线构建曲面：根据指定的4 条边界线和一个点云创建曲面。 本文采用第一种方法即u v 向量线构建曲面，图21 2 为重构地形表面。 2 3 2 实体三维地形生成 削21 2i m a g e w a r e 中地形曲面 在i m a g e w a r e 软件中重构的地形曲面仅有实体的外形，并不是a d a m s 软件 所能接受的实体模型。因此，需借助第三方软件先进行实体转换，然后再导入到 a d a m s 软件中进行模拟仿真。在c a t i a 、p r n 肥、s o l i d w o r k s 以及u g 等多种三 维造型软件中，u g 和i n m g e w a r e 有统一、标准的接口，而且u g 是以p a r a s o l i d 格式作为三维实体造型的实质，而p a r a s o l i d 格式正是a d a m s 软件所能接受的三 维实体格式之一。因此，选用u g 作为第三方软件来进行三维实体转换，然后将 三维实体模型导八到a d a m s 仿真分析软件中作为机器人运动仿真的地形环境。 如图2 1 3 所示为经u g 软件转换后的三维实体地形模型。 图21 3u g 软件转换后的三维实体地形 2 4 小结 本章通过对分形地形算法，特别是对二维中点位移算法的d i a m o n d - s q u a r e 算 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 法的研究，生成随机高程的地形高程数据。没有采取虚拟现实的纹理处理、光照、 着色等手段形成虚拟地形。而是，将地形高程数据点的三维坐标值输出到指定的 文本文件中，然后再导入到逆向工程软件i m a g e w a r e 中进行插值拟合还原出三维 地形曲面。最后经过u g 软件的转换形成a d a m s 软件所能识别的实体地形，为 机器人的运动仿真提供地形环境。 第三章环境探测机器人虚拟样机技术 1 9 第三章环境探测机器人虚拟样机技术 3 1 引言 据2 0 0 0 年中国的航天白皮书介绍，中国把发展空间科学、开展以月球探 测为主的深空探测的预先研究作为今后十年或是稍后一个时期中国航天事业的发 展目标之一，由此可见，我国对深空和行星探测的重视【2 】。因此，移动探测机器 人的研究受到了高度的重视。 根据国内外目前的现状，本章研究了三种典型类型的移动机器人：风驱动球 形机器人、轮式机器人和两足机器人的参数化建模技术。 3 2 移动机器人参数化建模技术 虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术。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 制造提供依据【2 7 捌。 虚拟样机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 ( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 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。 a d a m s 提供了强大的参数化建模功能。在建立模型时，根据分析需要，确 定相关的关键变量，并将这些关键变量设置为可以改变的设计变量。在分析时， 只需要改变这些设计变量值的大小，虚拟样机模型即可自动得到更新。即可以由 程序预先设置好一系列可变的参数，a d a m s 将自动进行系列仿真，以便于观察 不同参数值下样机性能的变化。 进行参数化建模时，确定好影响样机性能的关键输入值后，a d a m s v i e w 提 供了4 种参数化的方法： ( 1 ) 参数化点坐标：在建模过程中，点坐标用于几何形体、约束点位置和驱 动的位置。点坐标参数化时，修改点坐标值，与参数化点相关联的对象都将自动 修改。 ( 2 ) 使用设计变量：通过使用设计变量，可以方便地修改模型中己经被设置 为设计变量的对象。例如，我们可以将连杆的长度或弹簧的刚度设置为设计变量， 当设计变量的参数值发生改变时，与设计变量相关联的对象的属性也会得到更新。 ( 3 ) 参数化运动方式：通过参数化运动方式，可以方便地制定模型的运动方 环境探0 机器人运动性能仿真平台设计 式和轨迹。 ( 4 ) 使用参数表达式：使用参数化表达式是模型参数化最基本的一种参数化 途径。当以上三种方法不能表示对象之间的复杂关系时，可以通过参数表达式来 进行参数化。 3 3 球形机器人虚拟样机建模 3 31 球形机器人虚拟样机建模 球形机器人是一种以球形或近似球形为外壳的独立运动体，所有零部件都封 装在一个球壳内部，造型新颖别致，行动灵活，可以实现零角度转弯，可应用于 没有公路、人迹难以到达的区域进行野外探测和考察。因而，倍受世界各国科技 人员关注是目前环境探测机器人研究领域的热点问题之一。国外学者对球形机 器人的研究起步较早，国内一些研究人员也正在进行球形机器人的研究。根据驱 动属性可将球形机器人分为两类：内驱动和外部风力驱动。本文主要是研究外部 风力驱动的球形机器人。 n a s a l a n g l e y r e s e a r c h c e n t e r ( 美国宇航局兰利研究中心) 正在研究一种新 型的风驱动“漫游者”。它被称之为火星“风滚草”，它由火星表面风力驱动口9 1 。漫 游者能够移动更远的距离。探测更大的地表范围且能到达传统漫游者不能到达的 区域。它们具有质量轻、价格低等优点。同时，在任务中可多个机器人协同工作。 “风滚草”漫游者可作为搭载科学仪器和微传感器的平台去探测特定的区域。 根据n a s al a r c 设讣的几种“风壤草”概念图 3 0 】，利用a d a m s 软件建立了 球形机器人的参数化模型，如图31 所示，从上到下从左到右分别为b o x k i t e ， w e d g e , s p h e r e ，b o x ，t u m b l e c u p ，d a n d e l i o n 等概念。 譬浮! y 鼬 图3 1 球形机器人模型 332 球形机器人风力建模 风驱动球形机, n - n n j f 别j n 式，顾名思义，驱动力为风力。n , j jf 与流体 第三章环境探测机器人虚拟样机技术 密度p 、气流速度v 、气流的粘性、物体的主要尺寸d 有关口1 1 ，可写成： 尸：f ( 1 ，p ，d ) ：, o r 2 d 2 z ( p d ) ( 3 1 ) 因为d 2 虻a ，故上式又可写成 f ：i il 2 矽( 型) ) ( 3 - 2 ) z 式中么为物体的特征面积；p v d i p 称为雷诺数，用r e 表示，它是判断流动状态 的一个无因次数。于是上式可表示为 f = p v 2 a f ( r e ) 2( 3 3 ) 令c d = f ( r e ) ，称为风阻系数，它与物体的形状以及雷诺数r e 有关。 2 2 = q ，称为动压。于是，风力计算公式可写为 f = c d 叫或f = c d 么耐p v 2 2 ( 3 - 4 ) 由于模拟机器人的运行环境为火星表面环境，火星表面大气数据为：气流密 度p = 0 0 1 5 5 k g m 3 ，重力加速度g = 3 6 9 m $ 2 ，气流速度 ，范围为2 3 0 m $ ( 2 - 7 m s ( 夏季) ，5 - - 1 0 m b ( 秋季) 1 7 - - 3 0 m s ( 沙尘) ) ，风阻系数= o 5 3 2 】。 设置地形表面近似为硬质地形。火星表面滚动摩擦系数范围为0 0 2 0 1 2 ， 硬质火星表面运动时的最大滚动摩擦系数为0 0 6 3 2 1 。因此，设置球形机器人的滚 动摩擦系数为0 0 6 。 图3 2 为风速2m $ 、球形机器人质量5 堙、风阻系数o 5 时的半径与风力关 系图。从图中可以看出，球形机器人半径约达5 柳时才能在火星表面运动。 善 畏 区 图3 2 风力和球形机器人半径( v = 2 ，形s ，c d = 0 5 ，研= 5 9 9 ) 然而，当火星表面风速达到1 0 m s 时，球形机器人的半径将极大的减小，半 径1 聊的球形机器人所受到风力可克服最大静摩擦力运动。图3 3 所示： 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 球形机器人半径o n ) 图3 3 风力和球形机器人半径( 1 ，= 1 0 m s ，c d = 0 5 ，所= 5 k g ) 当风阻系数由o 5 增大到1 0 时，球形机器人的质量仍为5 姆，在低风速2 叫j 情况下，球形机器人的半径需达3 5 聊才能在火星表面运动。图3 4 所示 善 长 匠 j = 吾夺静摩擦力l i 1 + 风力 j， 爿 r i 一， 一 r 图3 4 风力和球形机器人半径( v = 2 m s ，c d = 1 0 ，历= 5 k g ) 由上述3 个图的数据分析可知，风阻系数为o 5 ，风速由2 历厶增加到1 0 m s 时，质量为5 堙的球形机器人能在火星表面展开探测行为，其半径可从5 聊减小到 l m 。即风速越大，机器人的半径越小。机器人的半径越小，它能到达的区域越大。 同时，可改变风阻系数c d 的值减小机器人半径。 由上述分析可知，当机器人半径确定在某个值时，为确保机器人能展开探测， 气流速度必须大于某个数。气流速度的值由风谱发生器随机产生【3 3 1 ，它是时间的 函数。如图3 5 所示： 第三章环境探测机器人虚拟样机技术 图3 5 风谱发生器产生的2 5 m 处风速样本 由风力等效计算公式( 3 4 ) 便可计算出风力f 的值，是时间的函数。作为球形 机器人的外驱动力。图3 6 为a d a m s 软件中的风速样本曲线，与上图相比较可 看出两者几乎一致，故a d a m s 软件能有效地模拟真实值。 1 d o d 9 d 一 叁$ f l 誊 8 要7 d e d 5 d d 1 ：一 lj蝴 、 1 。u iii 二 l 确1 咧l l 。t 飞 涮 氏 嘶 一 蝴 ， i 馘 、 小 ? i j 一+ l ：l t l 。 1 0 02 0 d 图3 6 导入a d a m s 软件中风速样本 3 4 轮式机器人虚拟样机建模 目前出现的轮式机器人主要有单轮、四轮、六轮和八轮几种机器人，本文主 要研究了典型的四轮机器人和六轮机器人两种类型。 3 4 1 四轮机器人虚拟样机建模 ( 一) 四轮机器人虚拟样机模型 四轮机器人的结构设计主要考虑车腿部件设计p 4 】，应满足以下要求：轮腿结 竺至塑堡型坚矍叁墨塾堡堂堕壅! 笪塑堕 构简单，可以灵活实现抬升和推进运动从而改善车体姿态- 提高探测车越障性能， 探测车在行进过程中，运行平稳可靠。为实现轮腿的推进和抬升2 种运动，需至 少两个移动副的五连杆机构。其机构简图见圈3 7 。 图37 四轮机器人机构简圈 建立虚拟样机模型和建立物理样机模型棵比，虚拟样机模型要尽量简化。在 满足虚拟样机仿真运动完整性的同时，应尽量减小模型的零件数。利用a d a m s 软件建立其三维仿真模型参数如下：质量为8 2 k g ( 含科学仪器负载) ：外形尺 寸为1 3 0 0 n l r a x 6 0 0 m m x1 5 0 r a m ；车轮的直径为2 4 0 r a m ；车轮的宽度为1 5 0 m m 。 见图38 所示。 图3 8 四轮机器人三维仿真模型 f 二、机器人轮胎与地面相互作用模型 对于环境探测机器人而言，车轮通常可以看成是剐性轮，而根据地形是否可 变形，一般只考虑刚性轮硬质地形接触和刚性轮一软质地形接触两种类型。通 过设置地形的刚度、渗透度等参数来调整地形的软硬度。建立车轮一地面相互作 用模型，并设置轮胎与地面作用的静摩擦、动摩擦、弹性模量、滑动系数等接触 力参数，部分设置参数如表31 所示。 表3l 机器人轮胎与地面相互作用参数 冲击力参数摩擦力参数 同i 度( 1 0 5 n r a m ) l0 静痒擦囡数，- 阻尼口( j r a m ) l o o 动摩擦因数正 冲击力指数占 静摩擦转换速度v , ( m m s ) 0 l 可穿透深度 。( 撕)0 i动摩擦转换速度v 。( m m s ) lo 第三章环境探测机器人虚拟样机技术 3 42 六轮机器人虚拟样机建模 ( 一) 六轮机器人虚拟样机模型 六轮机器人模型类似于“勇气号”和“机遇号”火星车。六轮探测车的机械车体 由两个部分组成：主车体和摇臂系统，其结构简图见图3 9 所示。其中的摇臂系 统为左右对称结构，单侧的摇臂机构由一个主摇臂和一副摇臂组成，主摇臂两端 连接后轮和副摇臂，副摇臂两端装有前轮和中间轮这样每侧的摇臂机构装有3 个车轮，整个车轮共有6 个车轮。两侧的主摇臂通过横轴附着在主车体上，主车 体的前后俯仰为两侧主摇臂的平均俯仰，这为科学仪器提供了平稳的工作平台。 六轮探测车可采用六轮独立驱动或前后四轮独立驱动的工作方式，这使得被 控部件具有更大的自由度、更强的适应性与机动性1 。 幽31 0 亦轮搛刊车三维仿真模型 其参数为：质量1 0 0 k g ( 台科学仪器负载) ：外形尺寸9 0 0 r a m 6 0 0 r a m x 4 5 0 r m n 车轮的直径3 0 0 r a m ；车轮的宽度2 3 0 m m 。该模型的外形尺寸、各零部件的质量 电机转速和输出扭矩均参照实际样车参数设定。 ( 二) 机器人轮胎与地面相互作用模型 通过修改表3 1 的相关参数设置车轮与地面的相互作用模型。 环境探测机器人运动性能仿真平台设计 3 5 两足机器人虚拟样机建模 在两足机器人研究中，步态规划是机器人稳定步行的基础，也是两足机器人 研究中的一个关键技术，所谓步态规划就是指产生在某个步行周期中能实现某种 步态的各关节运动轨迹。要实现和提高机器人的行走能力，必须研究实用而有效 的步态规划方法1 3 6 。 两足机器人自由度较多，运动链结构复杂，行走时各自由度之间的关系协调 较困难，采用传统的两步规划法将前向运动与侧向运动分开进行。第1 步根据机 器人的结构特点，规划机器人行走时的基本姿态及运动轨迹：第2 步根据机器人 的运动学方程，确定其余各关节的运动，其流程图见图3 1 1 。 启动步态：厂聂磊五j _ = = = r 三五l 磊_ 1 = = = 可1 雹雾蚕忙r 戛璧耍墓_ = = 号需 正常魅徽举裂h 器! 雾 停止步态：i 重碧蠢到 心摆到1 i 重心摆到1 i 左腿向前 左腿f r l 两腿中间r 迈出一步 器睾蓼h 嘉篚犟蓍h 勤升高 迈出半步i。i 两腿中闻l一7 i 1 。1 图3 1 1 两步规划法步态流程 3 5 1 两足机器人姿态及重心规划 完整的步态规划应包含两方面内容：姿态规划和z m p 轨迹规划。姿态是指 机器人在步行运动过程中，某一时刻各部件相对于参考坐标系的空间位置，可由 步行运动过程中某一时刻各关节的广义坐标表示。z m p ( 零力矩点) 是指重力与 惯性力合力的延长线与支撑面的交点，是目前步态规划中应用最广泛的稳定判据， 其计算公式如下【3 7 ： ，x ，m ，( z ，+ g z ) 置- z m ，( x ，+ g z ) z ， 只2 号- 一= 旦百_ = 旦一 ( 3 5 ) 押盯 - 、。， zm ，( zr + g z ) 一月刀 z 誓m ，( z ，+ g z ) 誓一鸭( y ，+ g z ) z ， 名= = 旦丁i 生一 ( 3 6 )j 打力 、一7 z朋。( z ，+ g z