- 2022-08-13 发布 |
- 37.5 KB |
- 87页
申明敬告： 本站不保证该用户上传的文档完整性，不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。
文档介绍
越障运动学研究及其计算机仿真实现
浙江理工大学硕士学位论文六足仿生机器人越障运动学研究及其计算机仿真实现姓名：叶献伟申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：高建华20090317\n浙江理1=大学硕十学位论文摘要六足仿生机器人模仿节肢动物的肢体结构，采用六足支撑，在快速行走时可以形成高效稳定步态，并能适应不同速度和不同载荷的要求，多种内在优点使其成为仿生机器人领域内的研究热点之一。在越障方面，因其立足点离散，跟地面接触面积小，在可达地面上可以选择最优支撑点，理应具有较强的障碍适应性、较好的越障稳定性、较高的越障效率等越障综合性能，然而其越障特性究竟如何是亟待深入分析研究的问题。本文以基于六自由度关节式腿机构的六足仿生机器人为研究对象，针对障碍设置的工作环境，对其进行越障过程运动学分析，并在理论分析的基础上通过所建立的虚拟样机来进行机器人越障仿真。首先，通过采用统一参考坐标系的方法建立了六足仿生机器人越障运动学数学模型，并在运动学分析的基础上选取一个典型位姿对其进行具体的数值分析，同时基于牛顿一欧拉运动学方程给出了六足仿生机器人整体机构动力学分析方法。其次，在综合考虑越障效率与越障稳定性的情况下，对六足仿生机器人进行了越障步态以及越障方法的研究，并提出了适合六足仿生机器人的越障方法。接着再综合六足仿生机器人的运动学分析以及越障步态、越障方法的研究基础上，对机器人越障能力、运动稳定性、越障效率与步态的选择给出具体的分析方法。最后，在理论研究分析的基础上，以前期在仿真软件中所构造的虚拟样机为研究对象，对六足仿生机器人虚拟样机进行越障运动学编程，动态模拟了六足仿生机器人跨越障碍物的全过程。同时，通过计算机仿真，验证了所建立的越障运动学数学模型的正确性，以及分析了机器人面对复杂障碍物路况时步态的选取问题。本文的研究工作丰富了目前六足仿生机器人的研究内容。通过采用统一参考坐标系的方法，简化了六足仿生机器人整体越障运动学数学模型的公式推导，提出的两种越障步态的组合方式比较适合于复杂地形环境，以及六足仿生机器人越障方法与越障稳定性分析方法保证了机器人越障的可靠性。关键词：六足仿生机器人；越障；运动学；计算机仿真\n浙江理，I：人学硕十学位论文Obstacle-crossingKinematicsandSimulationResearchofHexapodBiomimeticRobotAbstractThehexapodbiomimeticrobotsimulatesthebodyofarthropod．Itusessixlegstosupportthebody．Whenitgoesquickly,thegaitwillbeefficientandsteady．Moreover,itCanadapttodifferentspeedandload．Theinherentmeritsmakethehexapodbiomimeticrobotbecomeoneofthehottestresearchesinthebiomimeticrobotfield．Attheobstacle-crossingaspect，thestandsofthehexapodrobotarediscrete．Theyhavelittleinterfacewiththeground．AndtherobotCanchoosethemostexcellentpointsontheground．Soithasstrongerobstacleadaptability,betterobstacle—crossingstability,higherobstacle—crossingefficiency,etc．However，thatwhatistheobstacle-crossingcharacteristicisaproblemtoberesearched．Thispaperuseshexapodbiomimeticrobotasresearchingobject．Itaimstoanalyzethekinematicswhenthehexapodrobotgetsacrosstheobstacle．Alsowewilldotheobstacle-crossingsimulationbycomputerusingdummyrobotonthebasisoftheory．Firstly,thispaperestablishestheobstacle—crossingkinematicsequationofthebiomimeticrobotbyconsultingthesystemofcoordinates．Itchoosesatypicalpositionandgesturetoanalyzetheidiographicnumericalvalueonthebasisofkinematics．Then，adynamicsanalyzingmethodisgiveninthispaperbasedonNewton—Eulerkinematicsequation．Secondly,thepaperinvestigatestheobstacle—crossinggaitsandmethodsoftherobot,andputsforwardmethodswhichalesuitablefortherobottocrosstheobstacle．Thepapersyntheticallyanalyzestherobot’Sobstacle—crossingability,movingstability,obstacle—crossingefficiencyandgaitsselectionaccordingtotheintegratedresearchofkinematicsanalysesandobstacle—crossinggaits。Lastly,onthebasisoftheory,thepaperconstructsadummyrobotinthesimulationsoftwareandmakestherobotcrosstheobstaclebyprogram．Withthesimulation，wecanprovethecorrectnessofthekinematicsequationandthestabili够oftheobstacle—crossingmethods，thenanalyzehowtherobotchoosesgaitwhenitfacescomplexenvironment．Theresearchinthispaperenrichesexistingresearchcontentofthehexapodbiomimeticrobot．Withthemethodofconsultingthesystemofcoordinates，theformulaleadingofmathematicsmodelinthehexapodbiomimeticrobot’Sintegratedobstacle—crossingkinematicsispredigested．Thetwocombinationmodesofobstacle-crossinggaitwhichareputforwardinTI\n浙江理-1：人学硕+学位论文thispaperarefitforcomplexterrain．Moreover,theobstacle·crossingmethodandanalyzingmethodofobstacle-crossingensuretheobstacle—crossingreliabilityoftherobot．Keywords：hexapodbiomimeticrobot；obstacle—crossing；kinematics；computersimulation111\n浙江理工人学硕士学位论文浙江理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。剃⋯妣椭垆慨叼年3月夕日浙江理工大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在——年解密后使用本版权书。不保密团。叶淼嘶月f／7同指导教师签名：0b量卑同期：叩年3月17R\n浙江理1。大学硕士学位论文第一章绪论I．1课题研究目的与意义由于机器人自身结构的特点，目前用于越障的机器人主要有经过变形的轮式移动机器人㈣，履带式移动机器人p-“，轮履复合式机器人15,o以及足式移动机器人n耐等。相对于轮式或履带式移动机器人来说，六足仿生机器人的优点是对行走路面的要求很低，同时面对复杂多变的地形时步行比较稳定。由于足式移动机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，在能达到的地面上可以选择最优支撑点【9l，和轮式机器人的能量利用效率高、机构和控制简单相比，六足仿生机器人的一个最大优点就是其具有较强的越障性能以及越障平稳性，在设置障碍物的地面上与轮式机器人相比有更好的步行效率。并且六足机器人无论从步行稳定性还是步行效率上看都优于其它类型的足式机器人，比如四足机器人、八足机器人t1”等。目前，六足仿生机器人的研究已成为热点，己展开了很多相关方面的研究．相比机器人避障方面的理论研究111*14I，六足机器人越障方面的研究却很少。因此，本文对六足仿生机器人的越障运动学方面的研究充实了当前六足机器人研究内容，为六足仿生机器人能实现越障提供理论依据。1．2国内外研究现状1．2．1国内研究现状图l1所示意的是一种适合于野外非结构环境下的移动机器人‘”】，它由双曲柄加弹簧的攀登机构和两个四边形高架机构的组合变形机构组成，越障过程表现出足与轮的双重功能，具有较强的越障能力。基于六轮高机动性越障机器人，汪新等人采用ADAMS仿真和实验法对攀登机构进行了力学建模，同时对攀登机构的结构参数进行了优化。圈L1六轮移动机墨^圈1．2新型移动机器^\n浙江理上大学硕士学位论文图1．2所示的是一种新型移动机器人，它将自主变位履带结构应用到关节履带机器人上，改变了现在大多数关节履带机器人越障过程中需要人为调节其摆腿角度的自主性差的缺陷¨q。机器人采用了嵌入式工控机+DsP运动控制卡的开放式控制系统，使控制系统满足重量轻、体积小、实时性好和可靠性高的要求，并且机器人能够实现无线遥控。同时，通过爬越台阶、楼梯等越障实验，验证了其自主越障能力和环境适应能力。结合轮式与履带式移动机器人的各自优点目前又出现了轮履复合式移动机器人(如图l3嗍和图1．4【11所示)，与同等尺度的其他类型机器人相比，该类型机器人具有体积小、质量轻、结构紧凑、越障方式灵活等特点。&要爨黑麓图1．3轮履复合式移动机器人图1．4复合式越障机器人图l5所示的是复合结构移动越障机器人，作为移动多体系统，酸机器人在越障过程中其结构形式是可变的，移动越障机器人可以攀越突变障碍，实现野外环境下的灵活机动．以适应在非结构化环境中作业的需要删。图15复合结构穆动越障机器人图1．6Mobotsim仿真机器人图1．6所示的是由北京理工大学赵小川等人通过Mobotsim仿真软件设计制造出来的六足仿生机器人【Iq．他们针对仿生六足机器人的作业任务和工作环境对其探测系统的要求，提出了基于多超声波和红外线传感器的复合探测装置的设计方案，扩大了机器人探测的范围；并采用模糊控制的避障策略，克服了传统的避障控制策略中环境模型难以建立的缺点。最后通过Mobotsim仿真软件进行了相关技术的验证工作。为了解决了仿生六足机器人实时精确运动控制的问题，北京理工大学毛新等人在对生2\n浙江理I：人学硕士学忙论文物神经系统结构与功能进行分析和借鉴的基础上，采用模块化分散递阶控制技术对仿生六足爬行机器人(图17所示)进行实时控制，并在机器人关节控制模块中运用了模糊小波神经网络控制，实现了机器人肢体运动的快速精确跟踪。通过Matlab进行的轨迹跟踪仿真试验证实了机器人步行足的运动轨迹与期望曲线基本吻合，具有较好的跟踪特性，且误差曲线快速收敛。静态误差趋近于零。由此表明，该机器人控制系统可靠性高，实时性强，具有较好的动、静态特性，以及良好的抗干扰能力和自适应能力，克服了传统控制方法存在的控制模型难以建立、对环境适应能力差等缺点，为仿生六足爬行机器人的进一步研究奠定了坚实的基础【201。同时韩宝玲等人也对该机器人的足端工作空间、灵活度以及运动控制技术、运动学进行了研究与探索01。23I。——Ⅵ一～圉I．7仿生六足爬行机器人囤1．8微型六足仿生机器人图1．9六脚移动机器人样机基于仿生学原理，柬一然等人利用6套并联平面四杆机构、微型直流电动机及相应的减速增扭机构研制了体积微小、具有良好机动性、灵活性及对环境适应能力强的“微型六足仿生机器人(如图18)”。该机器人长为30mm，宽为40mm，高为20mm，重约63克。由于该机器人体积小，重量轻，并且机动性比较好，因此在该机器人身上配备相应的传感器就能应用于工业的很多方面．比如核工业中的管道裂缝检测等fM∞I。上海交通大学的安丽桥等人采用齿轮传动和曲柄滑块机构制作了结构比较简单的六脚机器人(如图l9)。该机器人长250ram，宽180ram，高140mm，整个机构重15009。在步行过程中平均步距为lOmm，步速最快可以达到160rmrt／minI“l，有两个电机驱动，不仅能实现前进、倒退，而且遇到障碍还可以进行转弯。因此该机器人的步行轨迹相对比较灵活。图l10是由哈尔滨工业大学的于殿勇等人研制的一种简易双三角足式移动机器人。泼机器人长290mm，宽图110足式移动机器人\n浙江理J=_人学硕士学位论文230ram，高llOmm，重9009。通过测试，该机器人的晟大步距可以达到71mm，步速最快可以达到25mm／s。该机构模仿六足昆虫的行走步态，具有三个自由度，分别由三个直流电机控制。电位器可实现单片机对直流电机的闭环控制，反射式光电传感器和行程开关使得六足机构自身具有一定的反应能力。该机器人能够在平地上前进、后退以及左右转弯，在遇到障碍时能自行避开。但从其步态上看，该机器人是靠身体的摆动前进的鲫，因此它产生的步态是一种波形步态，由于自然界六足昆虫在所有速度范围内都采用波形步态．八足动物也常采用波形步态f2。】。所以该机器人具有相当好的稳定性。1．2．2国外研究现状图1l】是由日本航空揲索机构研发的月球探险车“LightCrawler”，该机器人装配四个网状爬行机构，和咀往的月球车难以穿过沙地区域相比．“LightCrawler”最大的一个特点就是能适应于不同厚度、软硬程度以及干燥程度的沙地路面129】。以及在跨越倾斜角大于10度的斜坡时，其功耗耍小于轮式机器人。和轮式机器人相比，它能比较平稳地跨越陡坡，缩短了行走距离。浚机器人具有一定的攀爬以及越障能力。田1．儿月球探险车。LightCrawkr”图1．12机器人。Shrimp”图112所示的是六轮式移动机器人“Shrimp”-该机器人长60cm、高20cm．轮子直径为llcm，它能跨越的障碍物高度最大能达到自身轮子直径的两倍距离【”。该机器人前端与后端各配备一个轮子，以及在机体的两端各配备两个轮子。基于这样的结构设计，保证了即使行驶在地面与轮子摩擦系数很小的路况上时，机器人也有很好的移动稳定性与攀爬能力。图113所示的是履带式移动机器人“UrbanII”，该机器人是机器人iRobot的改进型，该机器人的研究目的是为了能执行室外侦察工作ool。该机器人能在倾斜角度为45度的台阶路况下进行攀爬，并且具备视觉系统用于用户定义目标对象以及作为攀爬台4图113机器人“UrbaaII”辫澄曾蕊\n浙江理l：人学颈士学位论文阶的视觉导航。同时，该机器人整合了两轴激光测距仪用于室内地图绘制与机器人位姿估算。幕尼黑大学于1995年开发了一种比较高级的六足仿生机器人TOMHexapod，它的足采用神经网络控制，当遇到障碍时，具有类似条件反射的功能；当感觉到障碍时，腿首先收拢，然后抬高一些再向前迈出前行，这种能够感知障碍的六足仿生机器人代表了当时的先进水平。在此后十多年里六足仿生机器人得到了快速的发展。2000年，西班牙KNonami等人发表了关于步行机器人如何进行地雷探测的研究方法。2002年同本千叶大学的研究人员基于该理论制造出了首台地雷探测机器人COMET—I(如图114)171，由于该机器人在行走的过程中还需要工作人员的辅助下才能完成避障，所以还只能称其为具有半自动避障功能的机器人。该机器人的足底处装有微型金属探测器来控制机器人的步伐以及探测地雷的方位，同时该机器人机身下面还装有电波探测器来探测地雷。该探测器能探测到地下一米深处的地雷，并且还具有很强的可靠性。该机器人长800mm，宽1280mm。高565m。但是该机器人还有一些不足之处，比如探测器不能区分地雷和金属块等，因此还需要研究人员做进一步的改进和完善工作。圈l_14机器人COMET-I圈1．15机器人COET—III由开本千叶大学RK．Barai等人研制的COMET系列步行机器人经历了COMET—I、COMET—II，N200S年已经发展到YCOMET—III(如图115)，它用于地雷的探测以及移除工作。该机器人单腿具有3自由度，高为870mm，宽为2550tam，长为4154mm，重量达到1200kg．有效载荷300kg口”，机器人每条腿的股关节和胫关节分别由液压驱动控制，并实行对液压驱动机构的模糊反馈控制，并矫正了模糊反馈控制的延时缺点，达到了很好的效果。该机器人即有它独到的优点也有一些不足之处，其优点就是它采用液压装置来驱动步伐前进使得机器人的承受载荷能力得到很大的提高，但其不足之处就是机构过于庞大．因此还需要做进一步的改进和完善工作。美国的FDelcomyn等研究人员根据灵巧昆虫蟑螂的身体结构以及其运动特性研制成簇．\n浙江理L’人学硕士学位论文功了六足仿生机器人“PeriplanetaAmericana"【”1(如图116)，之所以选择蟑螂作为实验的仿生对象是因为蟑螂的爬行速度很快，以及蟑螂在爬行过程中所表现出来的敏捷性，机器人的身体长为58cm．宽为14cm，高为23cm，该仿生机器人的尺寸是蟑螂的12倍到17倍之间，该机器人的重量达到了llkg，相对于仿生机器人的尺寸来说，要想达到蟑螂那种轻巧的程度研究人员还需要在重量上傲一些完善工作。为了使得机器人反映灵敏、响应快速，机器人的六个足采用气动元件作为其动力来源，气源由机器人摄相头上方的那个管道供给。该机器人的单腿有三节连轩机构，并且三对足采用的是不同的长度尺寸。为了能克服零件加工误差或装配误差等因素所带给机器人在运动过程中所产生的偏差．该机器人的控制器采用PID反馈控制运算法则进行控制．具有很好的步态补偿作用。在该运算法则下，控制器能使得偏离了路线的足重新返回到计划好的路线上去，让机器人继续沿着期望的轨迹步行。缈圈1．16机器人h巾hⅡ啦AmH{蚰∞图117趋声户外机器人2004年由英国，美国．瑞士的研究人员合作开发了具有模仿蟋蟀的趋声性功能的户外机器人(如图i．17)，它模仿了昆虫的很多行为，其中就包括它能在吵杂的条件下进行特定声音的定位{”l，该机器人那类似于蟋蚌耳朵的“听觉”电路采用的是神经网络控制。该机器人采用超大集成电路，虽然从电路工作稳定性方面考虑其性能是提高了，但是从总体上看结构还是显得过于庞大，因此在机器人电路方面需要做些模块化的处理，并且也需要在机构上做些完善让机器人看起来更小巧些，以此来减小机器人运行所需要的功率。机器人由于采用的是马达控制关节，而马达有个缺点就是它自身就产生噪音，因此还需要改善电动马达性能，解决电动马达产生噪音问题，使控制电路能更有效的处理噪声问题。同时．为使机器人更能适应于复杂多变的地形，还应增加传感器的数量来更准确地探测到障碍物。图1．18是一种集多种传感器于一体的步行移动机器人，机器人的硬件部分能实现数据的等级处理洲，机器人的平面尺寸为35x20cm，该机器人重量达到5k函其单腿具有2个自由度，机器人身体前端装有一个夹子．是用来搬运物体的。机器人的整体结构设计的比较\n浙江理1．人学硕士学位论文灵活．它不仅能步行还可以进行攀爬，并且其步行速度达No15m／s。机器人所用到的四个声波定位仪，39个红外线探测器．4个微型加速计等在内的传感系统主要是用来完成导航、运动控制、物体归类以及与人实现交互作用等功能的．而且针对机器人的硬件系统开发的测试软件也适用于Windows，Linux和Solaris等操作系统。但是像昆虫的一些感官机构(比如说昆虫的触角)还是有待于展开进一步的研究‘”】。圈118一种具有多种传癌罂帆器^囤1．19机嚣f1．Kaflta图1．19所示的机器人Kafka，它的反馈系统采用学习分布式控制，这种控制也是有其自身的优点，比如让机器人在行星上进行探险，我们事先是不知道行星的地形特性的，因此需要控制器要有学习功能p6l。研究人员首先通过计算机仿真然后再制作出实物机器人来，通过遗传运算法则在该六足仿生机器人的应用，他们完善了分布式学习方法，并尝试着让机器人加速学习过程，实验达到了很好的效果。此昆虫机器人之所以采用分布式控制也是由该控制方法的一些优点决定的，比如说机器人在行走过程中有一个控制器坏了，但是机器人还是能在由剩余功能足提供动力的情况下前行。这里提到的机器人Kafka就是采用单元自动控制，与动态神经网络方法相比，采用此种方法的好处就是它很少需要实时计算．并且它以表格的形式把足的运动程序存到芯片中，因此在机器人运动的过程中，它只要求每只足简单地在表格里寻找动作程序，还有就是之所以采用这样的工作原理及方法，也是研究人员研究生物昆虫的结果，自然界中的生物昆虫就是依靠分布式控制来产生步态的。在研究六足仿生机器人过程中，研究人员报喜欢以蟑螂为研究重点，之所毗选用蟑螂作为研究对象是因为蝉螂在运动过程中所表现出来的灵活特性，在图120蟑螂与六足仿生机器人蹦ex．A^\n浙江理L人学硕士学位论文相同体积的生物中．从运动特性上面来看蟑螂是最为迅速的一个群体。其中跑的最快的是骷髅蟑螂，图l20左图所示的生物就是多足类实验室中在“奔跑”的_：I占髅蟑螂。六足仿生机器人IhtlexA．A(如图1．20右图所示)的研制也是从生物学上得到灵感的，该机器人能在相当于它臀部三倍高度的不规则地形上爬行，但丝毫没有降低其运动速度ⅨJ。陵机器人单腿仅有一个自由度，当单腿旋转一周时就算完成一个周期动作。为了使机器人跑得更快t“蟑螂”并没有把每一步都踩得很实，而是用两组腿(每组由位于同侧的两条腿及位于另一侧的一条腿组成)像弹簧般地在障碍物上跌跌撞撞往前冲。虽然如此．但该机器人的运动性能无论从哪一方面来说还是不能与六足生物相比的，这也不仅仅单指RHexAA机器人，由于技术所限，其它的机器人也同样还没有达到六足生物那样灵活的运动特性。由于机器人步行的时候要对足的运动做出反应，机器人的速度就自动地根据地形做出调整，因此地形具有障碍物越多，就需要机器人做出更多的足运动姿态来适应复杂地形，那么机器人的步行速度也就越慢。2004年，JMPorta等人介绍了一种反应控制器，使得六足仿生机器人能精确地沿着任意的轨迹移动。他们设计了控制器的不同模块，使得能处理任意足的位形。这样．通过控制器恰当的补偿，任一足的运动必然能克服未预料到的1i规则地形，而机器人依然能沿着用户的指令方向移动p”。研究人员通过实验证实，当地形简单到接近平面的时候，控制器产生的步法等同于三角步法。因此控制器可以被机器人用来做最小化计算和性能测试。为了确定是否能在真实的机器人上获得很好的结果，他们用了机器人GenghisII(I．S．Roboties，TheGenghisIILeggedRobotManual“151)，February1994)f如图1．21)。机器人GenghisII体长40cm，宽15cm，单腿长10cm，并且具有2个自由度。研究人员对控制器的运动产生模块进行了测试并取得了很好的效果。但是为了不失一般适用性，研究人员还把控制器用在了由德国卡尔斯鲁厄大学研制的六足仿生机器人Lauron111(如图1．22)上．同样地．也取得了很好的效果，控制的结果也相当精确。图1,21机器人GenghisII1．2．3目前国内外主要研究方向六足仿生机器人的研究是一个活跃的研究领域8辫．图1．22机器人LflillTonII相关新技术、新理论不断引入到六足仿生\n浙江理T人学硕士学位论文机器人的研究中来。使之不断完普和发展，综合当前六足仿生机器人的技术研究现状，归纳起来主要有以下几个方面：利用新理论、新疗法对六足步悫的产生以及控制。六足机器人的行走首先要处理好六足的步姿控制，六足在地上形成的轨迹是一种离散变量，基于模糊逻辑控制的遗传运算法则能很好的解决组合路线问题和有效的产生六足的步态，同时遗传运算能很好的处理离散变量问题。以及一些先进的控制理论，比如人工智能，将会在六足仿生机器人上得到很好的应用。运动轨迹的生成方法研究。现在大多数的六足仿生机器人还停留在依靠预先设定好的程序来行动．一旦它开始迈步，就必须做完整套程序才能停下米。先进的六足仿生机器人将依靠自己的智能判断产生台理有效的运动轨迹。因此，运动轨迹如何智能化生成将是一个很好的发展方向。多抟感器信息的融合。六足仿生机器人在步行作业的时候要靠传感器米触知外部环境，但在恶劣环境下工作时，六足仿生机器人所要采集的信息容易被干扰信息淹没，凭借单传感器信息往往难以准确判断。基于多源信息综合处理的信息融合技术逐渐成为信息处理研究的亮点，该方法将来自某一目标的多源信息加阻智能合成。产生比单一信息源更精确、更完全的估计和判决。传动元件、传感器集成于一体化，现在六足仿生机器人的传动元件和传巷器元件都是作为单个独立器件安装在机器人身上的，使得机器人结构笨重又庞大，做一个机构使得它同时具有传动功能、传感器功能，这样可以减少零部件占用空问的同时，还使得机器人更加协调地工作。综合当前六足机器人的研究方向与趋势，可以看出针对六足机器人面对复杂多变的地形时．一些理论方面的研究比如像机器人步行步态、运动轨迹等相关工作以及基于简单机构的六足机器人越障(如图l_14、1．20所示的六足机器人)正在展开，而本文针对在设置障碍物的工作环境下。对六足仿生机器人越障运动学的研究是面向多自由度的复杂机器人系统，充实了当前对六足机器人的研究内容。1．3本论文的主要研究工作本论文的研究对象是机电工程研究所前期研究中建立的六足仿生机器人模型(如图123所示的六足仿生机器人)，该模型依据节肢动物门六足昆虫纲鞘翅目步行虫科动物的普遍特性建立。该六足仿生机器人单腿具有六自由度．9图1．23六足仿生机器人\n浙江理工人学硕十学位论文其中腿足端部具有三个自由度，起到调整足端姿态的作用，整个机器人是具有42个自由度的六足机器人系统。基于该六足仿生机器人模型，本文主要研究内容如下：(1)建立六足仿生机器人运动学数学模型，并针对典型的六足仿生机器人越障位姿做具体的数值计算分析。(2)研究六足仿生机器人实现越障的步态以及越障所采用的方法，同时提出针对六足仿生机器人稳定性分析的方法与算法。分析采用各自的步态所引起的越障稳定性与越障效率之间的关系。(3)研究分析基于所推导的运动学数学模型以及结合牛顿一欧拉运动方程对机器人的动力学方程进行推导，并针对六足机器人在跨上障碍物时的典型姿态做相应的力学数值计算。(4)采用仿真软件对该机器人进行越障运动编程，实现越过一个给定障碍物的目的。然后结合所建立的越障运动学数学模型，通过比较数学模型与仿真模型，验证所建立六足仿生机器人运动学数学模型的J下确性，以及越障方法的适用性、可靠性。最后分析越障对机器人步行速度的影响问题。lO\n浙江理J：人学硕十学位论文第二章六足仿生机器人越障运动学分析2．1越障机器人位姿计算2．1．1腿的正运动学计算图2．1六足机器人腿结构不葸图图2．1给出了六足机器人站立腿结构示意图。图中的Ai表示站立腿的立足点，Bi表示机器人机体上臀关节的连接点。用ll，12，13，14，15分别表示各个连杆的长度。用只，，只：，只。，谚。，谚，，9：分别表示i号腿所对应的转动关节的转动角度。∑。代表固定在地面上的固定坐标系，而∑m代表坐标系原点在臀关节Bi处且坐标系固定在机器人机体上的相对坐标系。。只，和。B，分别表示Ai和Bi在固定坐标系∑。中的位置矢量。另外，上面所提到的i表示机器人的腿号，把机器人的右上角那条腿记为1号腿，按顺时针方向分别为2、3、4、5、6号腿。假如，以。匕和耋足代表坐标系∑Q的原点位置和坐标系旋转矩阵，即：‘Po=。XQ。YQ。zQ2-0)\n浙江理I：人学硕十学位论文ICOS(X。，％)COS(X。，托)cos(xo，％)l耋月=Icos(y。，工9)cos(y。，蜘)cos(yo，乃)llCOS(Z。，xQ)COS(Z。，yQ)COS(Zo,ZQ)．．1相应地，齐次变换喊z可以表碱r=弦。讣2-(2)其实，齐次变换矩阵可以由[‘{：R。{『：7]=：[％3。I：b][‘{；望：I]2．c3，其中，厶。，是3×3阶单位矩阵。假定平动和旋转变换分别由trans(。艺)和rot(k，秒)来表示，一(㈨廿3x。纠2_(4)毗咖一卵o]2．(5)其中R(k，伊)为旋转算子，代表坐标系绕詹轴旋转0角度后得到的新坐标系的方位矩阵，当R(x，目)=f0cos(0)-sin(a)I2．(6)【-0sin(0)cos(0)Jlcos(0)0sin(0)IR(y，9)=l010l2-(7)卜sin(0)0cos(e)Ifcos(p)一sin(0)0]R(z，p)=Isin(0)cos(0)0I2-(8)10cos(90。)0sin(90。)0一sin(90。)0cos(90。)001cos(-90。)O-sin(一90。)O120sin(-90。)01O0cos(一90。)001cos(幺1)sin(谚1)0一sin(幺1)00cos(谚1)00Ol0Ol\n浙江理丁人学硕十学位论文O0一cos(O,1)sin(0,1)sin(O,1)cos(O,1)O0一l0O0O0l：T--trans(xl，-10rot(y1，一90。)rot(z2，p2)100-Il010O0lO0O1Osin(0,2)cos(0,2)0cos(-90。)0一sin(-90。)O0—1一，lcos(O,2)00一sin(O,2)00O10sin(-90。)l0cos(一90。)0；T---trans(x2，12)rot(z2，90。)rot(z3，只3)一sin(O,3)cos(O,3)Ocos(90。)sin(90。)O—sin(90。)00cos(90。)00101一cos(O,3)0，2-sin(O,3)00l0liT--trans(x3，-13)rot(y3，90。)rot(z4，谚4)100——／3010O010O0l0sin(0,4)-cos(0,4)Ocos(90。)O—sin(90。、0Ocos(O,4)sin(O,4)0sin(90。)0l0cos(90。)0011-130lcos(0,2)sin(O,2)0cos(O,3)sin(O,3)O0：T--trans(z4，．14)rot(x4，一90。)rot(y4，90。)rot(z5，幺5)13cos(O,4)sin(O,4)O—sin(O,2)cos(O,2)0O阁c_sosm(0黪,M0司00100013)I—sin(0,。)00cos(0,4)0010O12-(9)2-(10)2-(11)2-(12)1●●I●●●●●●●●●●J乞O0●O1O10OlO0—。．．。．．．．．．．．．。．。．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．。．L=\n浙江理，r大学硕士学位论文10O01O01-14Olcos(O,5)sin(O,5)O010cos(-90。)0sin(-90。)0一sin(O,5)00cos(O,5)00Ol01O—sin(-90。)cos(一90。)0O—cos(0,5)一sin(O,5)Ocos(90。)0一sin(90。)0Osin(0,5)一cos(O,5)0：T--trans(y5，Is)rot(x5，90。)rot(zs，一90。)rot(z6，谚6)厂l0I1010，521010L001cos(O,6)sin(Or6)O10cos(90。)0sin(90。)0一sin(O,6)00cos(O,6)00Ol0O01O—sin(90。)cos(90。)OlO0-140lcos(-90。)sin(-90。)O0cos(O,6)0sin(O,6)0B6i．T--BJl．T：T；TiT：T：z=0sin(90。)l0cos(90。)0-sin(-90。)00cos(一90。)001010—1150Ol，zJ0工口工pJny0yQyPynz0za：PzO012-(13)2-(14)2-05)其中：11。=(-cos(O,2+Oi3)cos(O,4)cos(O,5)一sin(O,2+鼠3)sin(O,5))sin(O,6)-cos(O,2+23)sin(O,4)cos(O,6)n，=(-(·sin(鼠I)宰sin(Or2+幺3)cos(O,4)+cos(O,I)sin(ai4))cos(鼠5)-sin(o,1)+cos(O,,+B3)sin(O,5))sin(Oi6)-(-sin(Oil)幸sin(O；,+B3)sin(Oi4)-cos(O,1)cos(鼠4))cos@6)n：=(·(一cos(Oil)幸sin(Oe+E3)cos(O,4)一sin(O,1)sin(O,4))cos(幺5)-cos(B1)cos(O,2+B3)sin(0,5))sin(Oi6)-(一cos(鼠I)}sin(O!,+鼠3)sin(a,4)+sin(a,1)cos(鼠4))cos(鼠6)0。=(-cos(O,2+Oi3)cos(O,4)cos(O,5)-sin(Oi2+B3)sin(O,5))cos(E6)+cos(O,2+只3)sin(O,4)sin(O,6)0。=(-(-sin(0,1)幸sin(Oi2+E3)cos(O,4)+cos(O,1)sin(Oi4))cos(E5)-sin(O,1)枣cos(O!,+幺3)sin(O,5))cos(O,6)+(-sin(O,1)幸sin(0,2+谚3)sin(g,4)·cos(谚I)cos(鼠4))sin(鼠6)0：=(-(一cos(Oil)宰sin(只2+鼠3)cos(O,4)·sin(Oil)sin(Oi4))cos(鼠5)-cos(O,1)cos(O,2+幺3)sin(O,5))cos(鼠6)+(一cos(倪1)木sin(a,2+鼠3)sin(Oi4)+sin(Oil)cos(鼠4))sin(g,6)a。=一cos(幺2+23)cos(O,4)sin(Oi5)+sin(O,,+23)cos(O,5)a，=一(一sin(鼠I)宰sin(O,2+鼠3)cos(鼠4)+cos(谚1)sin(gi4))sin(Oi5)+sin(O,1)cos(O,2+鼠3)cos(O,5)a：=-(-cos(91)木sin(Oi2+只3)cos(O,4)-sin(0,1)sin(94))sin(O,5)+cos(鼠1)cos(最2+Oi3)cos(O,5)、．、17●≯@民域@邪nC一0I|\n令：浙江理+r人学硕士学位论文=(cos(012+鼠3)cos(014)sin(015)一sin(Oi2+E3)cos(O,5))15·sin(o鼠2+鼠3)(14+13)一cos(O,2)12=((-sin(Oil)木sin(012+幺3)cos(O,4)+cos(o!1)sin(014))sin(鼠5)-sin(Oil)宰cos(O,2+鼠3)cos(O,5))15-sin(o!1)cos(012+鼠3)(14+13)+sin(o!1)sin(012)12+cos(鼠1)1l=((-cos(谚1)sin(0i2+B3)cos(O,4)一sin(OiI)sin(014))sin(015)-cos(o!1)cos(0,2+E3)cos(0i5))i5-cos(0,1)cos(012+鼠3)(14+13)+cos(O,1)sin(012)12一sin(OiI)1Ir，lj计巨10由于方向矩阵R是正交矩阵，所以：由于所以历Ai—R_J4Bt，．R．一一_一Bif矗T。?]=[z警足一z?肼?。+z’]=[z髻露r—z尺岩屁r-只，+。只，艘_|Scoin(s(90090)co)-sis(9n(900)0。)料z肛F090勺co义090勺挑L0L1jz欠=zR岩足7’=曙。，I=一z曰胁只，+。只．=—[．享2-(16)2-(17)2，(18)2-(19)2一(20)m]+[针一I]2_(2其中(。XAi，oYAi,oz崩)T为Ai在∑。中的位置坐标。因此，通过齐次变换得到的∑历最后的位姿为：。下一『z足一一l0。B，]=1j—OJ木PJ—O，幸PJ，一Oz幸Pz+。X4fnJ幸Pj+刀y}Py+刀=堆Pz+乡一f152一(22)氏巩n1●●●●●●●，●●●●jxy=pp●工y：口口0工y=DO饵o8月—．．．．．。．。．．．．．LR：船。有[此因们l训√U0O1●●●●●●●●●J叼％吒叼～qm以q_。．。．．。。．．．．．．．．．．．．．．．．．L=1●●●●●●●，●j拧D口咖咖乃"D口oO，侈哆一ZD+=p掌Z口+以●宰y口+上p幸工口：叼％心0-叼b勺or∞‰qO\n浙江理L人学硕士学位论文同时，规定：肌or=2-(23)该方程给出了站立腿的正运动学解，即臀关节∑厨的位姿是由给定的关节角度确定的。由于臀关节轴固定在机器人机体上，所以毒丁实际上给出了机器人机体的位姿。题。所谓逆运动学，指的是根据机器人位姿。P向和成。只，以及立足点位置。P爿，来计算机器oPs?p暾+暾oKnBtp52-(24)其中，。P，表示坐标系∑，的原点在∑。中的位置矢量，而胁P，表示坐标系∑，的原点在假如用。刀爿j来表示腿足端所接触地面的法向单位矢量在固定坐标系∑。中的表示，则还。p，=。p一，+；足[兰]=。pm+厶。以加2一c25，历儿=ZRq(’5一’历)=Z盂7’(op一j+15。n一广’西)2-(26)飞蚓“聊'zrIT3铲T4，．T=[苫历f5]2一c28，16\n浙江理上大学硕十学何论文表示取矩阵的第2行第4列，以此类推。l(一z4-13)sin(O,2+B3)-cos(O,2)z2=6x5{(一，4-13)sin(O,1)cos(O,2+只3)+cos(O,1)，l+sin(O,1)sin(0,2)，2=◆52一(29)l(一f14-13)cos(0,1)cos(0,2+只3)一sin(0,1)，1+cos(0,1)sin(0,2)z2=6251．只。的求解由方程组2-(29)的2，3式得到：展开得：解得：sin(0,I)6Y5一cos(O,1)，l一：=一cos(0,1)6z5+sin(0,1)，lsin(O,1)625-cos(O,1Cy5=-1l2-(30)2一(31)O,I=Atan2(bys,bz5肌Sin‘丽莠丽’2<32’或谚，2删(bYs,bz5)+z-arcsin(丽雨-11丽’2俐其中，Atan2(6Y5，625)是一个计算arctan(6y5／625)的双参数反正切函数，它通过6Y5和6z，二者的符号来确定角的象限。2．只，的求解由方程组2-(29)的1，3式左右两式各平；8和得N-．(厶+，4)2+122+212(以+，。)Sin(p3)=(6x5)2-(哿)22。(34)经过对方程2-(34)渐，可以解得：0,3=arcsin【(bX5)2+(等)2一(，，+，·)2_122】／2zz(，，+，。)2‘(35)或,3--]l"--arcSin【(、)2+(等舢，“一)2_122】／272(㈩)2-(36)3．只：的求解由方程组2-(29)式l得到：17\n解得：或4．只。的求解由于：所以：其中：浙江理工人学硕十学位论文【(一Z4—13)cos(O,3)】sin(谚2)+cos(p2)[(一，4-13)sin(O,3)-i2】=6x592=-Atan2((一14—13)sin(O_f3)一12(一14一Is)cos(O,3))+arcsin(6x5只2=-Atan2((-14一ls)sin(Oi3)一，2，(一14—13)cos(O,3))+万一arcsin(6X5=等足=0足；R；R；R；屁j足=；足65瓜=LBlt瓜31J【43足)7’ro。o置：l1l0I-取式2-(41)的(1，3)，得到：r121rj22r‘31r。32r123rt33，．。2l，．’3lf厂，：：^：i。o足r‘23r‘33sin(O,4)(cos(B2+B3)巧l-cos(o,1)sin(Oi2+E3)砖·sin(0,1)sin(0i2+oi3)吃)一cos(O,4)(cos(Oil)如一sin(O,1)吃)20m／=cos(0r1)，-。32-sin(Orl)rt33nl=COS(0r2+谚3)，‘31．cos(Orl)sin(Or2+谚3)，．‘33一sin(O,1)sin(O,2+谚3)，．‘32则或谚4=Atan2(ml，n1)182-(37)2一(38)2-(39)2-(40)2一(41)2-(42)2-(43)2-(44)l23i，‘I‘．p—。．．。．．．．。．。．．．．．。．。．．．。．L『冠O威l23一"""一们—副oO\n浙江理T人学硕七学位论文只4=Atan2(一ml，-n1)2-(45)5．谚。的求解由式2-(41)的(1，1)，(1，2)，得到：’c。s(只e)2sin(Oi4)(，c，os(01，2．+，0．i，)呓--cos，(o!i，，)sin(O,z+2，)砝’sin(谚一)sin(Oiz+2s)吐)2-(46)-cos(014)(cos(B1)r22·sin(Oil)吃)sln(倪s)2-(sin(鼠。)(c。：‘鼠j+只，)，lj：cois(O,·)sin(0,z+B，)‘t3。sin(B-)sin(o!z+鼠，)1：)2-(47)-cos(O,4)(cos(鼠1)吃一sin(o!1)砝))令：所2=-(sin(Oi4)(cos(O,2+最3)‘：一cos(Oil)sin(Oi2+鼠3)‘13一sin(o!1)sin(012+鼠3)1：)·cos(014)(cos(幺1)吃-sin(o!1)吃))刀22一(sin(014)(cos(鼠2+鼠3)呓l—cos(o!1)sin(Oi2+B3)吃一sin(o,I)sin(Oi2+23)吃)-cos(O,4)(cos(皖1)砬·sin(o!1)呓3))则谚6=Atan2(m2，F／2)2-(48)6．只；的求解由式2-(41)的(2，3)，(3，3)，得到：。sln(鼠s)2c。s(B·)(c。s‘曼z+，，)，；·-cos(io!,)sin(o!z+最s)呓‘sin(鼠-)sin(O,2+鼠，)&)2-(49)+sin(014)(cos(岛1)岛·sin(o!1)砖)cos(O,5)2sin(Oil)cos(012+B3)如+cos(o!1)cos(012+鼠3)吃+sin(O,2+酿3)，；l2-(50)令所3=一(cos(O,4)(cos(B2+最3)一l—cos(O,I)sin(0,2+鼠3)砖-sin(O,1)sin(o,2+鼠3)吃)+sin(O,4)(cos(鼠1)吃一sin(o!1)砖))心=sin(011)cos(012+鼠3)吃+cos(o!1)cos(O,2+B3)吃+sin(0i2+最3)砖l则q5=Atan2(m3，／'13)2-(51)2．1．3摆动腿的正运动学计算摆动腿的正运动学问题就是根据机器人机体的位姿。p肼、ZR和腿的驱动关节变量，来确定机器人的脚在∑。中的位置。pm。oP4I=OpB|+毒RRpAl2-(52、)同时，还有\n浙江理．T大学硕士学位论文阱目双㈣r'-1l，’llrtl2rtl3Iz足=lri21r122ri23l2-(54)【_，f3，，J3：，13，j[：o芝j]=[[：o：三：蠹i薹：窆i薹：荔]“55，图2．2给出了六足机器人结构简图，其中∑。代表固定坐标系，∑口代表固定在机器其中goR代表机器人机体坐标系相对于参考坐标系∑。的方向矩阵。另外，QP历是常Qp刖=[三兰三]，Qp口：=l_一4詈172j]，QpB"，=l-I一440175J]，Qp8。=l-一4挈157j]，Qp口，=1．-一4詈127J]，‰。=I362I。l-0j\n浙江理工人学硕十学位论文A4当给定规划的步态轨迹，就可以通过控制机器人的驱动关节来实现六足机器人的步行。而根据希望的步态轨迹确定机器入各驱动关节控制变量的过程就是逆运动学的计算过程。此时，机器人被视为一个整体运动链系统。具体而言，根据机器人机体的位姿。几和彦月以及QPm(i_1，2⋯6)(腿的立足点或摆动腿的轨迹)，来求各驱动关节变量。在图2．2中存在如下关系：。p月。=’D+毒Rep月，2-(56)而且oPsi=；RQpBi+opQ2-(57)因此，整体机器人的逆运动学问题转换为求单腿的逆运动学问题了。可以用咿宝z晨z晨丁名z黑r绷来表示机器人整个运动链的位能息。其咿=降。对肛[警Ⅵ且私一¨号腿㈣个关节嫂变量㈣3黼其中\n浙江理工大学硕士学位论文i(i=l，2⋯6)表示机器人的腿号(在图2．2中由右上角为1号腿，按顺时针方向分别为2号腿。3号腿⋯6号腿)-J0=l，2⋯6)表示关节号-2．1．6越障机器人运动学数值计算分析下面就以六足仿生机器人在越障过程中爬坡时的某一典型位姿进行具体的数值分析，对于前面给出的结构示意图21中，我们给出具体数值如下：li=32mm，12=200ram，13=195mm，h-一22mm，15=40mm。其三维结构示意图如图23所示，图2．3是在仿真越障过程中，对六足仿生机器人的一张截图，圈中六足仿隹机器人正在进行爬坡。分析。图2．3六足仿生机器人三维结构示意图下面我们就结合三维示意图来对机器人进行数值对于此刻的机器人，我们测得机器人重心位簧坐标。如=[主i]c省略单位为毫米，F卧煳恻删s鲫护I嚣0-。sinO。(；5，。)．]=睢嚣0笔嚣0]。劢埘鹏懒黼鼢5熙嘴“I嚣。。；，12B嚣笔己器|o即己知六足仿生机器人机体位姿矩阵：≯209962008720．008722lS0996228801对⋯腿，⋯六转动谢棚酣耻阿⋯舭∽埔到‰．蚓+潞0斟滩孙把已知量。只。，u及所得最。岛．．代入公式：啦s，得到：“，，283：]\n浙江理工人学硕十学位论文根据公式2-(32)f解得：Bl=一181．1。，或根据公式2-(33)，解得Ol。=31．5。，这里取Bl一181．1。。根据公式2-(35)，解得B，=一51．6。，或根据公式2-(36)，解得岛，=231．6。，这里取岛32—51．60。根据公式2-(38)，解得B2=204．6。，或根据公式2-(39)，解得B：=310．3。，这里取q22204．60。根据公式2-(44)，解得q4=-13．36。，或根据公式2-(45)解得q4=166．8。，这里取q4=166．80。根据公式2-(48)，解得最。=27．6。。根据公式2-(51)，解得B，=11．8。。综合上面求解结果，我们得到了站立腿l号腿的六关节变量值，即：．181．1。204．6。．51．6。166．8。27．6。11．8。同理对于5号腿，由于。只，=。-5。oo．1[。208列]+割刊孙⋯⋯⋯⋯⋯矧站立腿5号腿的六关节变量值，即：护耻嘲+瞄『一169．7。17．9。191．6。169．3。一30．0。9．3。0cos(50)sin(50)：亳，][豢H豢]，驯掺123456尻夙翻翻翻易勺，查看更多
相关文章
- 当前文档收益归属上传用户