【正文】 ...................... 34 建立虛擬樣機模型的步驟 ................................................................................ 34 本章小結 ................................................................................................................ 41 第六章 結論 ........................................................................................................................ 42 研究結果 ................................................................................................................ 42 展望 ....................................................................................................................... 43 參考文獻 ............................................................................................................................... 44 致謝 ...................................................................................................................................... 46 1 第一章 引言 機器人概述 機器人技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高技術，它綜合了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感與信息處理以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是典型的機電一體化技術，是目前科技發(fā)展最活躍的領域之一。因此，世界上許多國家，包括中國在內，都對機器人的發(fā)展予以高度的重視。后漢三國時期，蜀國 丞 相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭，這可以說是另一種移動式“機器人”。 2 進入 20 世紀后，機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關心與支持，一些實用化的機器人相繼問世， 1927 年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出。與數控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這些工業(yè)機器人的控制方式與數控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。 1970 年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。 到了 1980 年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。 80 年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。 四足機器人概述 目前機器人的移動方式主要包括輪式、履帶式、步行、爬行、蠕動等。 為了改善輪子對松軟地面和不平地面的適應能力，履帶式車輛應運而生。爬行和蠕動型機器人主要用于管道和其它狹窄空間內工作，具有良好的靜、動穩(wěn)定性，但移動速度較慢。這給人們一種啟示 :足式運動具有其它地面推進方式所不具備的獨特優(yōu)越性能。與二足相比，四足步行機器人承載能力強、穩(wěn)定性好，既能以靜態(tài)步行方式實現 不平地面及復雜地形上的行走，又能以動態(tài)步行方式 (步行過程任意時刻均少于三條腿同時處于支撐狀態(tài)的步行方式 )實現高速行走，在搶險救災、排雷、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應用前景，其研制工作一直受到各國的重視。它最初是為了在惡劣條件下，幫助步兵搬運東西而設計的。 20 世紀 90 年代初期，由英國研制出四條腿的機器人，它有點像矮腳馬。 5 盡管四足機器人技術有了很大的發(fā)展，國內外均研究開發(fā)了很多原理樣機或實驗模型，但制約四足機器人技術進一步發(fā)展的基礎理論問題并沒有得到根本的解決。機器狗的頭部為一個舵機，攜帶光電反射式傳感器，能探測前方的障礙物。 每 家鋁合金型材生產企業(yè)所生產的產品基本上大同小異，只不過在具體的結構上有所出入。 控制部分 控制部分包括舵機驅動器電路板 ，如圖所示 ，單片機與電路板（不包括電源， 7 電源為外置），其 重量保守估計 MC=500g。 10 身體骨架 同樣采用了鋁合金型材 ，分別為連接舵機的支架和橫梁，尺寸分別為長 55mm， 寬 12mm，厚度 5m 和長 80mm，寬 12mm，厚度 5mm，所以質量分別為 M 梁 1=， M 梁2=12g。 由初選的尺寸可以得到，關節(jié) 1和關節(jié) 2之間的長度 La=70mm， 2 關節(jié)與地面之間的長度約為 Lb=60mm。 舵機的選擇 舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。依據物理學原理，物體的轉動慣量與質量成正比，因此要轉動質量愈大的物體，所需的作用力也愈大。 14 第三章 對腿部結構的優(yōu)化及應力繞度的驗證 采用 Matlab 軟件進行優(yōu)化分析 問題描述 現有一機器狗單腿，如圖 所示，腿分上下兩部分，長度分別為 L1和 L2，圖中圓洞處與舵機相連，受到最大的扭矩為 . cm，最大的壓力為 ,要求腿部最高不得超過 90mm，最低不得低于 70mm，腿部其他參數見下表 ，于研究對象為小型四足 機器狗 ，所受的扭矩與力都不大，所選材料鋁合金完全可以承受，所以這里只研究腿尺寸的長短對質量的影響，先要求設計腿部的長度，再滿足要求的前提下，使整條腿的質量最輕。 圖 Matlab的主工作界面 MATLAB 可以用來進行以下各種工作： ● 數值分析 ● 數值和符號計算 ● 工程與科學繪圖 ● 控制系統(tǒng)的設計與仿真 ● 數字圖像處理 技術 ● 數字信號處理 技術 ● 通訊系統(tǒng)設計與仿真 ● 財務與金融工程 MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。 mesh (x ,y ,Q) 。 %標注三坐標軸 title (′目標函數的圖像′ ) %標注圖形名稱 運行程序可畫出目標函數的三維圖形 ,如圖 ： 圖 函數圖像 18 應用 MATLAB軟件的優(yōu)化工具箱對問題的優(yōu)化 A． 取設計變量的初值為 : x0 = [40 45]t ,首先 ,編寫目標函數的 m 文件 :Objfun. m ,返回 x 處的函數 值 f 。 C. 設置線性約束的系數 : A = [ 0 1； 0 0 ] 。 b=[35 0] 。,39。,39。Objfun39。mediumscale: SQP, QuasiNewton, linesearch39。 ANSYS 介紹 ANSYS 是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 CAE 軟件，其分析功能強大，有內建的建模模塊，但是在處理復雜形狀時，其建模功能難以勝任。大體來講， ANSYS 由以下分析功能 :(1)結構靜力分析 (2)結構動力學分析 (3)結構非線性分析 (4)動力學分析 (5)熱分析 (6)電磁場分析 (7)流體動力學分析 (8)聲場分析 (9)壓電分析 。這幾種格式具有各自不同的特點。 PARA 是 Parasolid 的縮寫， PARA 提供了一個可供互相操作的數據管道，使用已經成為標準的 XT 文件格式，允許基于 PARA 的系統(tǒng)共享和幾何數據交換，而不需要進行任何的數據轉換。分析時要區(qū)分 : ①單目標與多目標問題 。 (3) 為優(yōu)化模塊 fmincon 提供輸入參數。 對于優(yōu)化后 的腿部，由于厚度較薄，所以對其進行驗證，使用 ANSYS很好的解 決了這個問題，對其進行了驗證，最后方案可行。目前市面上流行的三維實體造型軟件SolldworkS， Pro/e， UG， Ideas，它們都帶有功能相當完善的實體建模模塊，可以 快速準確的完成復雜系統(tǒng)的實體建模。在設計過程中，可應用特征、尺寸及約束功能，準確制作設計模型，并繪制出詳細的工程圖 。但是，在四足 機器狗 的結構設計中，為了降低控制的復雜程度，它的腿部不可能像動物那樣具有五段和超冗余自由度。為了減少仿真的困難，本文根據各個部件的實際情況，對一些附加零件進行簡化，簡化為由數個剛體組成的剛體模型，同時注意盡量保持跟實物相近的幾何外觀。以便于下一步仿真的運用。打開保存一次后，裝配體就記住了子零部件的新位置。在 3D中作輔助線或面，再在 2D中引用 就可以了。比較有影響的產品包括美國 MSC 公司的 ADAMS，比利時 LMS 公司的 Motion(其前身為 DADS)以及德國航天局的 SIMRACK，韓國的 Reeurdyn等。它提供了一個直接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機分析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數據的輸入和編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數的設置、各種數據的輸入和輸出、同其它應用程序的接口等。它除滿足用戶輸出位移、速度、加速度和力等的要求外，還可輸出用戶自己定義的數據。除了可以直接繪制仿真結果曲線以外， ADAMS/proeessor 還可 34 以對仿真分析曲線進行一些數學和統(tǒng)計計算 。 四足機器狗虛擬樣機模型的建立 ADAMS/View 提供了豐富的基本形體 建模工具庫，利用這些參數化圖庫，可以方便地繪制一些基本形體。 建 立虛擬樣機模型的步驟 建立四足機器人虛擬樣機模型的步驟如下 : 文件導入 ADAMS 在 Solidworks軟件里完成零件的裝配以后，輸出格式為 Pa rasolid格式的 x_t文檔。在 File To Read 欄中右擊鼠標，從彈出的快捷菜單中選取 Browse 命令，再選取創(chuàng)建好的 xmt_txt 文件 。 ADAMS 軟件提供了豐富的約束庫，可以方便的實現約束的創(chuàng)建。運動學驅動以時間函數的形式確定零件之間進行轉動的運動學方程式。 通過以上步驟，建立好虛擬樣機模型。 圖 設置接觸力 40 圖 四足機器狗的仿真 6．后處理數據 在 plotting 里面，可以看到處理的數據，如圖 所示，可以看到扭矩最大地方在髖關節(jié)處，大小為 M=， 所以所選的舵機滿足要求。 通過以上步驟，建立了完整的四足機器人虛擬樣機，為四足機器人后續(xù)步態(tài)規(guī)劃后 的 仿真工作奠定基礎。 研究結果 本文介紹了一個簡單四足機器狗的設計過程，從結構的設計，以及動力學的計算，舵機的選擇，結構的優(yōu)化，三維模型的建立，到 最后的仿真模型的建立，為以后進行步態(tài)規(guī)劃下的仿真，打下了基礎。 4. 用 Solidworks 軟件建立四足機器人本體結構的三維模型，計算出該模型的主要參數 (如質量、幾何特性等 )，保留模型的主要參數不變的條件下對該模 型進行簡化。上述工作及所取得的結果可以作為該四足機器人開展后續(xù)相關研究的基礎。實現 ADAMS 虛擬樣機與控制系統(tǒng)輸出數據的聯(lián)合仿真， 使虛擬樣機成為機械設計人員與控制系統(tǒng)設計人員共享的信息載體，為他們的協(xié)同工作創(chuàng)造條件。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學習的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學習生活的開始 。 44 參考文獻 [1] 周建方 .高建和 .唐國興 .材料力學 .機械工業(yè)出版社 . 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