【《基于正交关节的蛇形机器人攀爬运动仿真研究》12000字】

我们将多个具有相同关节结构的模块所串联起来的机器人称之为蛇形机器中文摘要及关键词 英文摘要及关键词 Ⅱ- 1.1课题研究的背景及意义 1.2仿生机器蛇的研究现状及发展 4- 4- 1.4本文的研究内容 9-2管道攀爬蛇形机器人的结构设计 2.1仿生机器蛇运动模型 2.1.1仿生机器蛇的侧向运动模型 2.1.2仿生机器蛇的蠕动运动模型 2.2仿生机器蛇的步态研究 2.2.1仿生机器蛇的模型结构设计 2.2.2仿生机器蛇的步态研究 2.2.2仿生机器蛇的步态与位移分析 2.2.3仿生机器蛇各连杆间的相对角位移 2.2.4仿生机器蛇设计 3ADAMS仿真分析 3.2仿生机器蛇的ADAMS仿真流程 3.3仿生机器蛇的ADAMS仿真模型参数 3.4仿生机器蛇的ADAMS仿真结果分析与验证 21-3.5本章小结 4总结 4.1结论 4.2展望 1绪论1.1课题研究的背景及意义而我们在仿生机器学中我们进行探究生物蛇而产生的仿生机器蛇也开始具进行探究敌人内部侦察情况5。不仅可以适用于城市，在丛林，沙漠甚至海洋中1.2仿生机器蛇的研究现状及发展仿真机器蛇是一种新型的仿生类机器人，它和传统的之称是机器人是不同本东京大学的Hirose教授团队在1972年便研究出来一种蛇类仿生机器人，这款有自己的独立的滚动轮，在这般的环境下这可以让机器人在运动时保证曲线运(a)ACMⅢ样机(b)A图1-1代号为“ACMⅢ”仿生机器蛇如图2中a所示，这个采用的是一横一竖的仿生蛇的结构。把他叫做正交链图1-2代号为“ACM-R3”的仿生机器蛇模型ACM-R4是ACM-R3的一种升级的版本，它是通过改变仿生机器人的外壳的质地以及增加了一些防水的功能，如下图所示，但是ACM-R5,仍然采用了图1.3代号为ACM-R4的仿生机器蛇模型UM的OmniTread机器人是在04~05年完成的，他的这种设计经常被用于很个关节的动作指令。OmniTread可以在障碍物上进行自由攀爬(赵丽娜，陈东行等，OmniTread的不同点是能够在表面覆盖80%的带轮，因为这样OmniTread图1-4代号为MniTread的仿生机器蛇CMU的生物机器人技术实验室的生物机器人的实验是在这几年开始做的，样机是根据上面所说的正交连接进行组装的，它不仅具有正交连接的方式所具备的运动状态，并且实验室还针对仿真蛇的攀爬动作做了很多研究。他把仿真机器的样机进行了升级，已经能够实现竖直方向的攀爬运动，它的运动原理是把的身体变成一种支架，通过滚动运动状态来达到螺旋式运动(成欣悦，许昊羽，2019)。可以达到在竖直方向管道之间进行上下攀登。图1-5代号M3的仿生机器蛇二维空间中进行运动是目前所有仿生机器人的最基本的一些功能，下面说一个三维空间的例子。在1996年，一个人研究的第一代机器人可以在平面上爬。对于很小很小的障碍物，它可以进行翻越，之后为了更好地提高仿生机器人的能力，在一的基础上开始制作，产生的第二台机械蛇，具有一定的三维运动能力，他可以把部分躯体进行抬动(许珂倩，邓俊羽，2022)。在这等情况下机器蛇主要通过万向节组成的7。一个万向节让三个独立的电机控制着方向，里面又有四个传感器。还有用于协度和角度传感器。在蛇的头部要将上一个摄像机进行监测，传输到监视屏上。尾部放的是一个能换的电池，它可以持续30分钟工作(杨泽羽，林心怡，2019)。图1-6Orochi的样机及其万向节结构我国在仿生蛇方面进步很快，比如上1999年上海制作出了我国第一台微小型仿生机器蛇的。实验样件如下所示图1-7上海制作的仿生机器蛇图片图1-8国防科技大学制作仿生机器蛇在01年的时候，我国国防科大也进行了研究工作。生产出了一款仿生机器蛇，如图1-8,在国内外媒体也有很多报道，这个机器蛇是有17个节组成，总长是1~2m,直径在0.06m它的重量在1.8kg,机器人可以进行前进，后退，加速的多种运动状态。他的速度可以再每分钟20m左右，从这些动作可以意识到他采他们最早在01年开始对仿生机器蛇进行研究，在之后的3年里，完成了这个项目的验收，所产出的机器蛇的长度是1.5m的长度，质量在6斤左右，依据此理论框架进行全面分析可获知结果机器蛇的关节在16个，在全速运动的时候可以于这个机器人的相关专利论文达到了16篇，是我国在仿生机器蛇研究上面的一1.3蛇的运动方式种运动方式是侧向运动，这是目前自然界中蛇的常用的爬行方式，如下图1-9所形态如1-10所示，这在一定水平上揭示它是把蛇的部分进行保持静止，而另一动状态往往是在一些特定的情况下进行，比如说在一些很小的管道(孙佳琪，陈月所示，就是在目前蛇的运动方式中最具有争议性的一种运动方式，在蛇的运动过程中常在沙地或者一些比较粗糙的环境中会使用这种运动方式。那种方式的效率在沙地或者是摩擦系数高的情况下会高于侧向运动。图1-9蛇的侧向运动图1-10蛇的蠕动运动图1-11蛇的侧向盘旋运动1.4本文的研究内容仿生机器人的研究中，仿真机器蛇是一种很热门的分支，目前已经有数十台仿真的实验样机的出现，这些样机能完成二维的运动，有些甚至可以进行抬头抬及翻阅等简单的三维运动能力(朱晓瑞、邓景忠、钟昊羽些仿生机器蛇的样件，它们的功能更具有针对性以及多样化。在这般的环境下他们的运动结构以及形状与之前的设计有很大的区别，就是这些新的设计使他们具有了更为灵活的三维能力，更加适用于目前应用市场和也为他们的发展方向开阔在本文的设计过程中，仿真机器蛇的研究主要是进行螺旋攀爬运动的研究。在之前的仿真机器蛇的样机上，分析设计出一款更适用于攀爬运动状态的机械形状结构。机器人可以通过缠绕在攀爬对象的外表面进行上下的攀登，它有一定刚性，能把部分蛇体抬起，在这种环境下采用的关节结构10万向节(孔祥瑞，邓雅琪，2017)。一个万向节是让三个电机进行控制。我们是否能够进行攀登，和我们的机器人的外形和结构设计是十分相关的。他不仅要求我们的机器人具有灵活的三维运动能力，也要求我们在攀附对象上不滑落，从而实现攀爬功能，还要识别目前地面上的环境特点，采用不同的运动状态是攀岩还是翻滚等(赵玉倩，陈俊单元具有两种自由度，能够很好地实现动力足的输出8。从而实现攀爬的功能。2管道攀爬蛇形机器人的结构设计2.1仿生机器蛇运动模型X图2-1侧向运动仿生机器蛇空间运动模型向。在机器人的法线方向我们可以作为x方向。这在某种程度上指出我们定义2种运动，一种是沿着x轴线的俯仰运动状态，还有一种是绕z轴的侧向运动。他下我们可以把这种曲线运动转换为波的运动合成，从而进行推导出我们的运动在这等条件下式子中的、是我们2种运动状态的初始状态的控制弯角，是表示我们在运动中的模块数量，将不同平面中的波的相位差表示为,把机体的长度设为L,I是机器蛇的单独模块的长度，kn是我们传播波的数量，i代表是我们不同关节的初始角度，其中s是仿生机器蛇的虚拟位移量，曲率偏差是我们的k1,在这等情况下我们可以通过改变k1,来修改机器蛇的运动方向，如果确保研究框架的合理性与可靠性。数据收集环节采用多种被理论证实有效的方图2-2仿生机器蛇的行波传递图2.2仿生机器蛇的步态研究本文设计的一种的仿生机器蛇是有7个关节以及6个连杠构成的，我们对他我们对机器人的设计进行参数设计：把杆件的长度设定为a,他的质量设置为m,进行初步模拟时候，从这些动作可以意识到我们使用的是7个关节进行设首先研究的是三动杆的运动步态，做模拟的运动图解如图2-3。图2-3蛇形三动杆的步态分析我们在进行设计的时候，从这些言语中可以看出一些态度我们先将p0点进行前进，沿着X的方向，这时候其他的点保持不变，在这时候件的pOp1和x轴的夹角有开始的0变化到我们的设定的角度0,在初始状态的情况下，plp0以及plp2进行运动，这种运动状态下，会与x轴之间形成也给等腰三角形的形状，在这种状态结束后，三角形的底部角变为a0,(图2-3中的阶段变为0度，在这个时候p2p3与夹角会从β会由0度变为我们设定的角度(图2-3最后点P5将会成为三角形的顶点(如图2-3中的阶段f),夹角α从0变为0°,整个系统变成直线状态g(如图2-3中的阶段g)一个运动周期，在这种环境下整个系统通过X轴的位移L等于点PO从状态a到状态b的位移。本部分的创作参考了何其飞教授的相关研下图2-4可以看出，我们在波形传递过程中，动点是我们的pi与Pi+1(1<Pi+1Pi+2进行简化为一种连杆结构，如下图所示，Pi是保持不变的，这无疑揭示了可以表示为d=a+cosa₀,也就是说我们可以把这个过程变化为四个阶段进行，如下图2-4所示，开始的位置就是我们图中的2-3的图2-4三杆件的运动的四个状态图2-5三杆件的矢量四边形其在X、Y轴上分解得：解出：又由公式(2-4)可以解得：E=2a²cosa₁-2ad=2a²cosβ₁-2adG=a²+d²-2adcosα₁=a²+d²-2adcosβ₁我们可以通过2-8、式2-9和式2-10这几个式子可以把连杆的各个角度进行表示，这在某种程度上指出这可以为我们研究角度进行参考分析(钱奇远，黄梦琪，2021)。本文在研究思路上富有创意，巧妙地将前人有关此主题的研究成果纳入其中，令研究的深度有了明显加深。通过对所有文献的规范梳理与整合，努力挖掘该领域一直未被充分关注的关键环节以及潜在的研究趋向。不仅对现存理论进行了更为细致的推敲，还基于此形成了独特的研究视角与分析方法。在具体的研究操作中，采用先进的研究方法与技术手段，对该主题进行多维度、全方位的审视。突破了传统研究的禁锢，从微观视角揭示了事物的内在原理和关联关系，同时借鉴其他相关领域的理论与实践经验，为解决该主题的问题提供了更丰富多样的思路。2.2.3仿生机器蛇各连杆间的相对角位移我们根据图2-5可以知道Pi+1Pi+2相对Pi+2Pi+3的的转角为P¹,则连杆的相对转角都可以用这个角度来表示。在这等条件下那么我们根据他的几何关系可以推导出他的一个角速度关系(付德华，徐君萱，2022)。必然是我们根据下图是2-10所表示可以得出。他们的转角关系可以由上面的角度来表示，在这等情况下根据角度的一个旋转关系。来推出仿生设计的一个旋转驱2.2.4仿生机器蛇设计根据前文推导的仿生机械蛇的一个旋转函数关系式。只要是关于转角的一个函数，那么其他的连杆由于是刚性的一个部件，那么我们可以通过一个旋转的铰链进行相连接。这样子可以进行连带的作用，是他们一起转动整个机器人的。设过程一：杆0-1沿着右端点2处旋转副做向X轴正方向的顺时针旋转，点1不固定在地面上，这在一定水平上揭示其他点均施加大的摩擦力固定在地面上，旋转到杆1-2与X轴负方向成60°时停止转动，运动的过程中点0设置为高副滑动。(如图2-6)图2-6过程一：步态设计图从这些动作可以意识到由于在开始设计机器人的步态过程中，我们需要对加速度以及速度进行忽略。所以我们只要对端点一的转动角度已经时间进行函数建模，建立一个变化的阶跃函数，它们的函数表达式，我们可以表达为(付俊天，成y为端点1角度变化(度),x为时间(秒):式2-11中的后两式，在过程二中进行介绍，前三个过程为一个缓慢的阶跃过程，此过程后，依据此理论框架进行全面分析可获知结果端点1处的P2转动除点1、点2外其他点均处于施加大摩擦力固定在地面上，此时杆2-3沿着右端点3处旋转副做像X轴的正方向的顺时针旋转60°。(如图2-7)图2-7过程二：步态设计图在过程二中，我们就要需要对端点二的角度进行设计，函数通过旋转端点2的角度，,其他的刚性杆跟随之进行运动。在这种运动过程中，端点一的运动在候角度是转动180度，所以在端点一的函数需要加上2-11后面的几个式子，这y为端点2角度变化(度),x为时间(秒):我们需要进行说明的是，在4秒之前，端点2是独立的，它不受到函数的控制，只有在4到最后连杆4-5沿着左边端点4向X轴正方向做顺时针旋转，最后端点6做与地面接触的高副运动。(如图2-8)图2-8过程三：步态设计图当波形运动到最后一个端点5时，端点5的运动开始时间为20s,则此端点的转动角度函数。y为端点5角度变化(度),x为时间(秒):最后仿生机器蛇的端点全部位于x轴上，仿生保研究假设的合理性以及逻辑的一致性。通过全面梳理和细致对比分析相关文3ADAMS仿真分析ADAMS软件是通过计算多体系动力学是为基础的，它有多个模块，其中有是可以用这两个模块构成的。另外在这个软件中，他还针对其他的领域开发出了一些专业应用和嵌入模块，比如说我们占用的汽车，发动机，火车以及飞机等模块，它都是可以产生应用的，并且在液压，柔性控制等模块它也有相映的应用。下面是我们所示的一些模型图(孙羽航，陈晴雯，2023)。图3-2仿真工具栏3.2仿生机器蛇的ADAMS仿真流程图3-3仿生机器蛇ADAMS仿真流程图3.3仿生机器蛇的ADAMS仿真模型参数根据上文研究的蛇形数学模型，ADAMS建立仿生机器蛇的系统模型。(如图3-4与图3-5)(a)蛇形机器人仿真时正视图(b)蛇形机器人设计时侧视图图3-4系统模型侧视图(a)蛇形机器人仿真时正视图图3-5系统模型正视图3.4仿生机器蛇的ADAMS仿真结果分析与验证(1)过程一：图3-8仿生机器蛇运动过程一下，端点的运动状态会由0到60以及-120度之间进行变化，我们可以把端点一运行过程一后，从ADAMS中导出端点1的转角函数如图3-9(2)过程二：图3-9仿生机器蛇运动过程二运动过程二中，端点2的运动轨迹与一中相同，只是向右平移了几个单位，这是由于端点运动的时间先后，对于端点2的设计函数表达式为：运行过程一后，从ADAMS中导出端点1的转角函数如图3-10Time:14.034Cur-1250.07.5(a)机器蛇最后一个关节进行运动图3-11仿生机器蛇运动过程三是最后他还是会到旋转角度的零度这边。他得到的函数曲线跟之前的是不一样运行过程三后，在这等情况下从运行过程三后，在这等情况下从ADAMS中导出端点5的转角函数如图3-12前进距离为：L=2a(1-cosa₀)(a为连杆长度)(2-2)3.5本章小结4.1结论4.2展望本文提出的机器人模型在运动状态步态分析中还有