【正文】 工作界面 。附加的工具箱 17 （單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 %根據(jù)函數(shù)的定義劃分網(wǎng)格區(qū)域 Q = *（ x+y） +。 %通過三維網(wǎng)格模擬目標(biāo)函數(shù)圖形 xlabel (′ L1′ ) 。 zlabel (′ Q′ ) 。 function f = Objfun (x) f = *(L1+L2)+ B． 因設(shè)計約束含 2個非線性約束 ,故編寫一個描述非線性約束的 m 文件 :NonLinConstr. function [c ,ceq] = NonLinConstr (x) c (1) = 90+x(1)+x(2) 。 ceq = [ ] 。 b = [ 35 0 ] 。 A=[0 1 ； 0 0] 。 b1=zeros(2,1) 。Display39。iter39。LargeScale39。off39。 [x,fval,exitflag,output]=fmincon(39。,x0,A,b,[],[],b1,[],39。,options) E. 計算結(jié)果 : 具體計算結(jié)果如圖 ，得到： 19 x = %最后的優(yōu)化結(jié)果 : fval = %優(yōu)化后的最小質(zhì)量 exitflag =1 %算法退出處條件 output = iterations: 3 %函數(shù)調(diào)用次數(shù) funcCount: 15 %函數(shù)評價次數(shù) stepsize: 1 %步長 algorithm: 39。 %算法 firstorderopt: cgiterations: [] 即： L1=, L2=, Qmin=。所以將使用 ANSYS 軟件進行驗證。 SolidWorks 提供強大的基于特征的實體建 模功能。利用與 SolidWorks 強大的造型功能進行零部件建模、裝配，再導(dǎo)人 ANSYS 之中進行相應(yīng)的有限元分析，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢。這里用到的是第一個功能，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。在 中，提供多種 CAD接口，主要有 :IGES、 CATIA、 PRO/E、 UG、 SAT、 PARA 等。其中 IGES和 PARA是兩種比較常用的傳輸格式。ComputerAided Manufacturing(CAM)Systems） 不同電腦系統(tǒng)之間的通用 ANSI 信息交換標(biāo)準(zhǔn)。 對于簡單的實體，將 SolidWorks 里畫好的模型以 IGS 格式保存，只要在ANSYS 中用 import 導(dǎo)入就可以了（下文有詳說）。 本章小節(jié) 本章主要介紹了用 matlab對腿部尺寸進行優(yōu)化， 歸納總結(jié)使用 MATLAB 軟件求解的過程和 經(jīng)驗分析后得知 ,求解時的一般步驟 : (1) 判斷優(yōu)化問題的類型。 ②線性與非線性問題 。 (2) 根據(jù)優(yōu)化問題的類型來選定優(yōu)化函數(shù)。 (4) 根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的性態(tài) ,預(yù)設(shè)優(yōu)化選項 ,即 options 的設(shè)置。 (6) 根據(jù)優(yōu)化過程的具體提示信息 ,修改優(yōu)化選項的設(shè)置 ,直到達(dá)到滿足優(yōu)化函數(shù)fmincon 所需的優(yōu)化條件為止。 對于優(yōu)化好的腿部，下一章將對整個機器狗進行三維造型。 SolidworkS 軟件的介紹 相比傳統(tǒng)的 ZD繪圖，三維實體造型不僅可以提供幾何拓?fù)湫畔?，而且可包含模型的材料、質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量等物理信息，因此三維實體造型件己經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計師鐘愛的使用工具。 相比其它造型軟件， Solidworks 價格低廉，易學(xué)易用，并且支持 Iges， Parasolid， Step， Dxf， Dwf 等數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這樣保 證 了跟其它 CAD/CAE 軟件比如 Ansys， ADAMS， Pro/e， Ideas 等軟件之間進行數(shù)據(jù) 傳 遞。使用這套簡單易學(xué)的工具，機械設(shè)計工程師能快速、方便地按照其設(shè)計思想繪制出草圖及三維實體模型 。根據(jù)各零件間的相互裝配關(guān)系，可快速實現(xiàn)零部件的裝配，完成總體設(shè)計任務(wù)。四足哺乳類動物的每條腿由五段組成，通過與軀干的連接構(gòu)成五個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)至少有一個自由度，這種超冗余自由度使動物的運動極其靈活。從而，在力求達(dá)到 機器狗 運動的靈活性的前提下，對 機器狗 的肢體結(jié)構(gòu)進行合理簡化，每條腿具有 2 個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié) 設(shè)計一個自由度。電機、軸承座、軸承、傳動機構(gòu)等很多附加零件，進行運動學(xué)、動力學(xué)仿真的時候不必考慮這些附加零件的外形，只需要考慮它們的重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等物理參數(shù)。簡化這些附加零件的辦法是在用 solidworks軟件建立好的完整模型中加入各種零件的材料密度或重心、轉(zhuǎn)動慣量等物理參數(shù)，再根據(jù)剛體的實體體 積，折算出相應(yīng)的密度。 32 圖 四組機器狗簡化后的模型 本章小結(jié) 本章主要介紹了運用三維建模軟件將機器狗的各個零件進行繪制，加入其物理特征 ,包括密度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量，重心等參數(shù)。并將畫好的零件圖進行裝配，建立機器狗整體的三維造型。 在三維建模過程中也碰到一些問題，比如： （ 1）有時將 一文件夾中所有文件拷 貝到另一文件夾，打開裝配體文件時，零部件不是本地目錄，還為原 文件夾， 這個問題很頭疼，后來慢慢的摸索終于知道了， 執(zhí)行這樣的拷貝操作，應(yīng)在打開新位置的的裝配體之前，將原文件夾改名。如有必要，可以將原文件夾恢復(fù)舊名。必要時作切線等輔助線。 33 第五章 四足機器狗的簡單動力學(xué)仿真 概述 將已經(jīng)建立好的三維模型導(dǎo)入仿 真軟件 ADAMS 中，利用 ADAMS 簡單模擬 機器狗原地走，施加簡單的驅(qū)動函數(shù)，這里用的是 step 函數(shù)，仿真之后，測出關(guān)節(jié)處所受的扭矩，來驗證所選的舵機是否滿足要求。目前有二十多家公司在這個日益增長的市場上競爭。 ADAMS 軟件包括 3個最基本的解題程 序 :ADAMS/View(基本環(huán)境 )、ADAMS/solver(求解器 )和 ADAMS/processor(后處理 )。 在 3 個基本程序中， ADAMS/View 是 ADAMS 系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境。 ADAMS/solver 是 ADAMS 產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真“發(fā)動機”。ADAMS/Solver 有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問題。用戶可以通過運動副、運動激勵、高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束，同時求解運動副之間的作用力和反作用力，或施加單點外力。 ADAMS/Processor 模塊具有相當(dāng)強的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線?？梢暂斎雽嶒灁?shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結(jié)果進行比較 。 ADAMS/processor 模塊既可以在 ADAMS/View 環(huán)境中運行，也可脫離 ADAMS/View 環(huán)境獨立運行。對于復(fù)雜形體，利用連接線段功能，形成復(fù)雜形狀的面，然后利用拔出和回轉(zhuǎn)建模功能形成形狀復(fù)雜的形體，或者將若干基本形體通過一定的方式組合，通過交、并、差等布爾運算形成復(fù)雜的形體。在此，已經(jīng)利用基于特征的參數(shù)化設(shè)計軟件 Solid works 建立四足機器人的本體結(jié)構(gòu)，然后利用 ADAMS/Exchange 模塊 ,將模型導(dǎo)入到 ADAMSMew 環(huán)境下，進行運動學(xué)動力學(xué)仿真分析。 啟動 ADAMS/View 程序，新建一個模型，保存系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。執(zhí)行 File/Import 命令，打 開 File Import 對話框，在 File Type 下拉列表中選取 Parasolid (*.xmt_txt,*.x_t.*.xmt_bin， *.x_b)選項 。在 Model Name 欄中右擊鼠標(biāo)，選取新建的 模型 ,如圖 和圖 所示。再 創(chuàng)建約束，定義零件間的相對運動。根據(jù)四足機器人的動力學(xué)模型和模型的 36 實際 運動情況可知，該四足機器狗有 8 個旋轉(zhuǎn)副，如圖 所示。 圖 創(chuàng)建水平面 3．添加驅(qū)動 在四足機器人模型的旋轉(zhuǎn)副上添加運動學(xué)驅(qū)動 ，如圖 所示 。將鼠標(biāo)放在施加的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動右擊，選擇 modify 設(shè)置驅(qū)動的大小，本文采用 ADAMS/View 函數(shù)設(shè)置驅(qū)動，圖 是四足機器人驅(qū)動函數(shù)設(shè)置的界面 ,將各個關(guān)節(jié)設(shè)置驅(qū)動函數(shù)，這里 采用了簡單的STEP 函數(shù)： FR膝關(guān)節(jié)： step(time,0,0d,2,15d) +step(time,3,0d,5,15d) FR髖關(guān)節(jié)： step(time,1,0d,3,30d) +step(time,3,0d,5,30d) BL膝關(guān)節(jié)： step(time,5,0d,7,15d) +step(time,8,0d,10,15d) BL髖關(guān)節(jié)： step(time,6,0d,8,30d) +step(time,8,0d,10,30d) FL膝關(guān)節(jié)： step(time,10,0d,12,15d) step(time,13,0d,15,15d) 37 FL髖關(guān)節(jié)： step(time,11,0d,13,30d) +step(time,13,0d,15,30d) BR膝關(guān)節(jié)： step(time,15,0d,17,15d) +step(time,18,0d,20,15d) BR髖關(guān)節(jié)： step(time,16,0d,18,30d) +step(time,18,0d,20,30d) 圖 添加約束與驅(qū)動 38 圖 驅(qū)動函數(shù)設(shè)置界面 4．創(chuàng)建接觸力 當(dāng)足與地面之間發(fā)生接觸時，這兩 個物體就在接觸的位置產(chǎn)生接觸力 .足與地面的接觸力是一種特殊的力，它們之間是一種時斷時續(xù)的接觸，在這種情況下，足與地面從不接觸到接觸再到不接觸，由于存在相對運動，在接觸的位置，足與地面開始出現(xiàn)材料壓縮，物體的動能轉(zhuǎn)化成材料的壓縮勢能，并伴隨著能量的損失。這里將四個圓柱形底面與水平面之間設(shè)置接觸力，并在里面設(shè)置力的屬性，如圖 所示。 5．系統(tǒng)仿真 選擇仿真工具 ，進入四足機器人仿真分析，可以 看到機器人進行正常的仿 39 真。四足機器人仿真過程如圖 所示。 41 圖 后處理結(jié)果 本章小結(jié) 本章首先介紹了四足機器人虛擬樣機的幾何建模環(huán)境 Soli dworks 軟件和系統(tǒng)建模及仿真環(huán)境 ADAMS 軟件，然后介紹了四足機器人虛擬樣機的建模和仿真的步驟和實現(xiàn)方法，主要內(nèi)容如下 : Parasolid文件傳輸標(biāo)準(zhǔn)，利用 ADAMS 的專業(yè)圖形接口模塊ADAMS/Exchange，把在 Solidworks 環(huán)境下建立的簡化后的模型導(dǎo)入 ADAMS/View 中。 ，并將仿真過程保存在 AVI 格式的電影文件。 42 第六章 結(jié)論 人技術(shù)的迅猛發(fā)展，對能在復(fù)雜環(huán)境下行走的特種機器人的需求日益增加。四足步行機器人運動靈活、穩(wěn)定性好，既能以靜態(tài)步行方式實現(xiàn)不平地面及復(fù)雜地形上的行走，又能以動態(tài)步行方式實現(xiàn)高速行走，在搶險救災(zāi)、排雷、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景。本文主要的工作和研究結(jié)果如下： 發(fā)展，優(yōu)點，作用，以及今后的前景；四組機器人的介紹，包括種類，以及發(fā)展歷程。 ，還用 ANSYS 對其應(yīng)力與撓度進行驗證。 5. 型進行簡化。 通過實踐證明，以 Solidworks 和 ADAMS 技術(shù)結(jié)合進行的四足機器人建模和仿真方法具有質(zhì)量高、效率高和可視性好等優(yōu)點，適于用做如復(fù)雜機械系統(tǒng) — 四足機器人的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，避免了傳統(tǒng)設(shè)計方法周期長、效率低等缺陷。 43 展望 四足機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，解決其設(shè)計問題必須考慮機械和控制兩大部分。然后，將本文建立的虛擬樣機模型與控制分析軟件Matlab/simulink 有機地連接起來， Matlab 將四足機器人各個關(guān)節(jié)力矩控制指令送給 ADAMS，后者將四足機器人相應(yīng)關(guān)節(jié)角反饋給前者，形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過 ADAMS 的 ADAMS 爪 roeessor 模塊顯示數(shù)據(jù)曲線和動畫模擬。 四足機器人是一種多技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng)，目前的研究還處于初級階段，有許多需要深入開展的工作，論文的研究工作只是初步的嘗試，下一步需要在關(guān)鍵部位優(yōu)化工作上進行深入，主要將機器人的步態(tài)規(guī)劃部分進行補充，然后再加上控制部分的工作，這樣就可以完善整個機器狗系統(tǒng)了。同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友