【正文】 ...................... 34 建立虛擬樣機(jī)模型的步驟 ................................................................................ 34 本章小結(jié) ................................................................................................................ 41 第六章 結(jié)論 ........................................................................................................................ 42 研究結(jié)果 ................................................................................................................ 42 展望 ....................................................................................................................... 43 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................... 44 致謝 ...................................................................................................................................... 46 1 第一章 引言 機(jī)器人概述 機(jī)器人技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高技術(shù)，它綜合了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)、傳感與信息處理以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是典型的機(jī)電一體化技術(shù)，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。因此，世界上許多國家，包括中國在內(nèi)，都對(duì)機(jī)器人的發(fā)展予以高度的重視。后漢三國時(shí)期，蜀國 丞 相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭，這可以說是另一種移動(dòng)式“機(jī)器人”。 2 進(jìn)入 20 世紀(jì)后，機(jī)器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些實(shí)用化的機(jī)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(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)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(jī)器人的研究得到迅速廣泛的普及。 到了 1980 年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及，故稱該年為“機(jī)器人元年”。 80 年代，將具有感覺、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。 四足機(jī)器人概述 目前機(jī)器人的移動(dòng)方式主要包括輪式、履帶式、步行、爬行、蠕動(dòng)等。 為了改善輪子對(duì)松軟地面和不平地面的適應(yīng)能力，履帶式車輛應(yīng)運(yùn)而生。爬行和蠕動(dòng)型機(jī)器人主要用于管道和其它狹窄空間內(nèi)工作，具有良好的靜、動(dòng)穩(wěn)定性，但移動(dòng)速度較慢。這給人們一種啟示 :足式運(yùn)動(dòng)具有其它地面推進(jìn)方式所不具備的獨(dú)特優(yōu)越性能。與二足相比，四足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，既能以靜態(tài)步行方式實(shí)現(xiàn) 不平地面及復(fù)雜地形上的行走，又能以動(dòng)態(tài)步行方式 (步行過程任意時(shí)刻均少于三條腿同時(shí)處于支撐狀態(tài)的步行方式 )實(shí)現(xiàn)高速行走，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、排雷、探險(xiǎn)、娛樂及軍事等許多方面有很好的應(yīng)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(yùn)東西而設(shè)計(jì)的。 20 世紀(jì) 90 年代初期，由英國研制出四條腿的機(jī)器人，它有點(diǎn)像矮腳馬。 5 盡管四足機(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，國內(nèi)外均研究開發(fā)了很多原理樣機(jī)或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?，但制約四足機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決。機(jī)器狗的頭部為一個(gè)舵機(jī)，攜帶光電反射式傳感器，能探測(cè)前方的障礙物。 每 家鋁合金型材生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品基本上大同小異，只不過在具體的結(jié)構(gòu)上有所出入。 控制部分 控制部分包括舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路板 ，如圖所示 ，單片機(jī)與電路板（不包括電源， 7 電源為外置），其 重量保守估計(jì) MC=500g。 10 身體骨架 同樣采用了鋁合金型材 ，分別為連接舵機(jī)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(zhì)量分別為 M 梁 1=， M 梁2=12g。 由初選的尺寸可以得到，關(guān)節(jié) 1和關(guān)節(jié) 2之間的長度 La=70mm， 2 關(guān)節(jié)與地面之間的長度約為 Lb=60mm。 舵機(jī)的選擇 舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。依據(jù)物理學(xué)原理，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)量成正比，因此要轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量愈大的物體，所需的作用力也愈大。 14 第三章 對(duì)腿部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及應(yīng)力繞度的驗(yàn)證 采用 Matlab 軟件進(jìn)行優(yōu)化分析 問題描述 現(xiàn)有一機(jī)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(jī)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(shù)見下表 ，于研究對(duì)象為小型四足 機(jī)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(duì)質(zhì)量的影響，先要求設(shè)計(jì)腿部的長度，再滿足要求的前提下，使整條腿的質(zhì)量最輕。 圖 Matlab的主工作界面 MATLAB 可以用來進(jìn)行以下各種工作： ● 數(shù)值分析 ● 數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 ● 工程與科學(xué)繪圖 ● 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 ● 數(shù)字圖像處理 技術(shù) ● 數(shù)字信號(hào)處理 技術(shù) ● 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 ● 財(cái)務(wù)與金融工程 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。 mesh (x ,y ,Q) 。 %標(biāo)注三坐標(biāo)軸 title (′目標(biāo)函數(shù)的圖像′ ) %標(biāo)注圖形名稱 運(yùn)行程序可畫出目標(biāo)函數(shù)的三維圖形 ,如圖 ： 圖 函數(shù)圖像 18 應(yīng)用 MATLAB軟件的優(yōu)化工具箱對(duì)問題的優(yōu)化 A． 取設(shè)計(jì)變量的初值為 : x0 = [40 45]t ,首先 ,編寫目標(biāo)函數(shù)的 m 文件 :Objfun. m ,返回 x 處的函數(shù) 值 f 。 C. 設(shè)置線性約束的系數(shù) : A = [ 0 1； 0 0 ] 。 b=[35 0] 。,39。,39。Objfun39。mediumscale: SQP, QuasiNewton, linesearch39。 ANSYS 介紹 ANSYS 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用 CAE 軟件，其分析功能強(qiáng)大，有內(nèi)建的建模模塊，但是在處理復(fù)雜形狀時(shí)，其建模功能難以勝任。大體來講， ANSYS 由以下分析功能 :(1)結(jié)構(gòu)靜力分析 (2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 (3)結(jié)構(gòu)非線性分析 (4)動(dòng)力學(xué)分析 (5)熱分析 (6)電磁場(chǎng)分析 (7)流體動(dòng)力學(xué)分析 (8)聲場(chǎng)分析 (9)壓電分析 。這幾種格式具有各自不同的特點(diǎn)。 PARA 是 Parasolid 的縮寫， PARA 提供了一個(gè)可供互相操作的數(shù)據(jù)管道，使用已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的 XT 文件格式，允許基于 PARA 的系統(tǒng)共享和幾何數(shù)據(jù)交換，而不需要進(jìn)行任何的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。分析時(shí)要區(qū)分 : ①單目標(biāo)與多目標(biāo)問題 。 (3) 為優(yōu)化模塊 fmincon 提供輸入?yún)?shù)。 對(duì)于優(yōu)化后 的腿部，由于厚度較薄，所以對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，使用 ANSYS很好的解 決了這個(gè)問題，對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，最后方案可行。目前市面上流行的三維實(shí)體造型軟件SolldworkS， Pro/e， UG， Ideas，它們都帶有功能相當(dāng)完善的實(shí)體建模模塊，可以 快速準(zhǔn)確的完成復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)體建模。在設(shè)計(jì)過程中，可應(yīng)用特征、尺寸及約束功能，準(zhǔn)確制作設(shè)計(jì)模型，并繪制出詳細(xì)的工程圖 。但是，在四足 機(jī)器狗 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了降低控制的復(fù)雜程度，它的腿部不可能像動(dòng)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(jù)各個(gè)部件的實(shí)際情況，對(duì)一些附加零件進(jìn)行簡化，簡化為由數(shù)個(gè)剛體組成的剛體模型，同時(shí)注意盡量保持跟實(shí)物相近的幾何外觀。以便于下一步仿真的運(yùn)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(chǎn)品包括美國 MSC 公司的 ADAMS，比利時(shí) 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(gè)直接面向用戶的基本操作對(duì)話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，其中包括樣機(jī)的建模和各種建模工具、樣機(jī)模型數(shù)據(jù)的輸入和編輯、與求解器和后處理等程序的自動(dòng)連接、虛擬樣機(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其它應(yīng)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(shù)據(jù)。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線以外， ADAMS/proeessor 還可 34 以對(duì)仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算 。 四足機(jī)器狗虛擬樣機(jī)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(shù)化圖庫，可以方便地繪制一些基本形體。 建 立虛擬樣機(jī)模型的步驟 建立四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型的步驟如下 : 文件導(dǎo)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(biāo)，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(shí)現(xiàn)約束的創(chuàng)建。運(yùn)動(dòng)學(xué)驅(qū)動(dòng)以時(shí)間函數(shù)的形式確定零件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式。 通過以上步驟，建立好虛擬樣機(jī)模型。 圖 設(shè)置接觸力 40 圖 四足機(jī)器狗的仿真 6．后處理數(shù)據(jù) 在 plotting 里面，可以看到處理的數(shù)據(jù)，如圖 所示，可以看到扭矩最大地方在髖關(guān)節(jié)處，大小為 M=， 所以所選的舵機(jī)滿足要求。 通過以上步驟，建立了完整的四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)，為四足機(jī)器人后續(xù)步態(tài)規(guī)劃后 的 仿真工作奠定基礎(chǔ)。 研究結(jié)果 本文介紹了一個(gè)簡單四足機(jī)器狗的設(shè)計(jì)過程，從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，舵機(jī)的選擇，結(jié)構(gòu)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(jìn)行步態(tài)規(guī)劃下的仿真，打下了基礎(chǔ)。 4. 用 Solidworks 軟件建立四足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的三維模型，計(jì)算出該模型的主要參數(shù) (如質(zhì)量、幾何特性等 )，保留模型的主要參數(shù)不變的條件下對(duì)該模 型進(jìn)行簡化。上述工作及所取得的結(jié)果可以作為該四足機(jī)器人開展后續(xù)相關(guān)研究的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn) ADAMS 虛擬樣機(jī)與控制系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的聯(lián)合仿真， 使虛擬樣機(jī)成為機(jī)械設(shè)計(jì)人員與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始 。 44 參考文獻(xiàn) [1] 周建方 .高建和 .唐國興 .材料力學(xué) .機(jī)械工業(yè)出版社 . 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