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1、南京航空航天大学硕士学位论文仿壁虎机器人的机构设计与仿真姓名：章旭君申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：戴振东20051201南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 目前机器人在各行各业中发挥着重要的作用 作为特种机器人的壁虎机器人因其特有的优点在军事反恐等场合下有着较广的应用前景 本文首先简要地介绍了爬壁机器人及计算机仿真技术的发展及现状 并对多体系统运动学的发展作了扼要的论述 然后推导了壁虎机器人三自由度手臂的运动学方程并对此壁虎机器人运动学进行分析得到机器人各足端的轨迹与机器人的各自由度之间运动的关系 为后面的基于机械系统动力学软件 ADAMS 的仿真分析提供了一定理论基础
2、 基于三维参数化软件 UG 建立了壁虎机器人的简化实体模型 然后通过ADAMS与建模软件的接口 将虚拟样机模型输入到ADAMS中去设置仿真参数这样就在 ADAMS 中建立仿真模型 然后分别根据在地面和墙壁两种具体情况规划两种不同的步态施加不同的驱动函数 分别进行一系列运动学仿真 根据仿真结果检验结构设计可行性步态的稳定性 并检查机器人各关节的所受力矩 以验证电机是否满足设计要求在仿真过程中发现了模型各种问题然后相应的对机械机构进行调整发挥了虚拟样机技术的优势对降低实际物理样机制造的风险有着重要的意义 关键词: 壁虎机器人运动学方程虚拟样机运动学仿真ADAMS 仿壁虎机器人的机构设计与仿真 II
3、 Abstract Various robots are playing important roles nowadays. As one of these robots, the gecko robot has a lot of advantages for its special applications such as military and anti-terrorism. This thesis has introduced the development and current situation of the gecko robot simulation technology o
4、f the computer, and the development of kinematics of multi-body system briefly. With the theoretical analysis of the robot, it shows the theoretical foundation for the following simulation which is based on software ADAMS used for kinematics analyse of mechanical system. This thesis set up the proto
5、type of the robot first before simulation. In order to carry on kinematics simulation, UG was used to model the robot, and inputs the robot prototype into ADAMS through the interface between UG and ADAMS. In the way , the simulation model is set up. We divide two kinds of different operating models,
6、 then build up the simulation condition of work with two kinds of gaits in ADAMS. Furthermore, we carry on a series of kinematics simulation respectively, and obtain the strength and moment received of every joint of robot. The next step is to devise two kinds of gaits according to the different sit
7、uations. After adding motion functions, make a series of simulations. Finally obtain the velocity of gecko robot, and verify the stabilization of the structure. During the procession, find out some problems, and change the mechanical structure. It decreases the risk of physical model. Keywords: geck
8、o robot, prototype, kinematics simulation, ADAMS 南京航空航天大学硕士学位论文 III 承诺书 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果尽我所知除文中已经注明引用的内容外本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅, 可以将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其他复制手段保存论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名
9、日 期2 0 0 6 - 3 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图清单 1 . 图 1 . 1 磁吸附爬壁机器人本体结构示意图3 2 . 图 2 . 1 坐标平移9 3 . 图 2 . 2 坐标旋转9 4 . 图 2 . 3 复合映射1 0 5 . 图 2 . 4 机器人的构型1 1 6 . 图 2 . 5 坐标系的配置1 2 7 . 图 4 . 1 直角坐标机器人2 1 8 . 图 4 . 2 圆柱坐标机器人2 1 9 . 图 4 . 3 球坐标机器人2 2 1 0 . 图 4 . 4 水平多关节机器人2 2 1 1 . 图 4 . 5 正向分布2 4 12. 图 4 . 6 前后分布2 4
10、 13. 图 4 . 7 腿的几何构型2 4 1 4 . 图 4 . 8 腿的相对方位安排2 5 1 5 . 图 4 . 9 机器壁虎结构原理图2 6 1 6 . 图 4 . 1 0 机器壁虎三视图 2 7 1 7 . 图 4 . 1 1 改进后的模型 2 8 1 8 . 图 4 . 1 2 电机运动范围 2 9 1 9 . 图 4 . 1 3 腿部关节坐标图 3 0 2 0 . 图 5 . 1 U G 导出步骤 3 1 2 1 . 图 5 . 2 A D A M S 导入步骤3 2 2 2 . 图 5 . 3 建模工具箱3 3 2 3 . 图 5 . 4 碰撞设置对话框3 4 2 4 . 图
11、 5 . 5 周期性步态 1 3 5 2 5 . 图 5 . 6 周期性步态 2 3 6 2 6 . 图 5 . 7 地面爬行的步态3 7 2 7 . 图 5 . 8 墙壁爬行的步态3 7 2 8 . 图 5 . 9 支撑图形和稳定裕量3 8 2 9 . 图 5 . 1 0 稳定裕量最小的姿态 3 9 3 0 . 图 5 . 1 1 测量稳定裕量 3 9 3 1 . 图 5 . 1 2 S T E P 函数3 9 仿壁虎机器人的机构设计与仿真 VI 3 2 . 图 5 . 1 3 1 2 关节的驱动时间- 位移图 4 0 3 3 . 图 5 . 1 4 3 4 关节的驱动时间- 位移图 4 1
12、 3 4 . 图 5 . 1 5 5 6 关节的驱动时间- 位移图 4 1 3 5 . 图 5 . 1 6 7 8 关节的驱动时间- 位移图 4 2 3 6 . 图 5 . 1 7 9 1 0 关节的驱动时间- 位移图4 3 3 7 . 图 5 . 1 8 1 1 1 2 关节的驱动时间- 位移图 4 3 3 8 . 图 5 . 1 9 模拟的步态序列 4 4 3 9 . 图 5 . 2 0 仿壁虎机器人重心前进方向位移 4 5 4 0 . 图 5 . 2 1 仿壁虎机器人重心横向方向位移 4 5 4 1 . 图 5 . 2 2 仿壁虎机器人重心垂直方向位移 4 5 4 2 . 图 5 . 2
13、 3 自由度分析 4 6 4 3 . 图 5 . 2 4 各个关节的驱动时间- 位移图 5 2 4 4 . 图 5 . 2 5 模拟的步态序列 5 2 4 5 . 图 5 . 2 6 仿壁虎机器人重心前进方向位移 5 3 4 6 . 图 5 . 2 7 仿壁虎机器人重心横向方向位移 5 3 4 7 . 图 5 . 2 8 仿壁虎机器人重心垂直方向位移 5 3 4 8 . 图 5 . 2 9 右前腿各个关节的驱动力矩 5 4 4 9 . 图 5 . 3 0 左后腿各个关节的驱动力矩 5 5 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 表清单 1 . 表 3 . 1 A D A M S 组件及主要功能1
14、 4 2 . 表4 . 1 步行机器人足数与性能定性评价 2 4 3 . 表5 . 1 P a r a s o l i d 与A D A M S 版本对照3 3 4 . 表5 . 2 接触力参数说明 3 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物, 是计算机科学控制论机构学信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物, 它是一种仿人操作高速运行重复操作和精度较高的自动化设备机器人技术的出现和发展,不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化, 而且将对人类的社会生活产生深远的影响在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过
15、程中人们逐步认识到机器人技术的本质是感知决策行动和交互技术的结合随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深 机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透结合这些领域的应用特点人们发展了各式各样的具有感知决策 行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器 如移动机器人 微机器人水下机器人医疗机器人军用机器人空中空间机器人娱乐机器人等对不同任务和特殊环境的适应性也是机器人与一般自动化装备的重要区别这些机器人从外观上己远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状 更加符合各种不同应用领域的特殊要求其功能和智能程度也大大增强从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间 近几年来机器人在各个领域中得到广
16、泛的应用和发展其中爬壁机器人是能够在垂直墙壁上进行作业的机器人 它作为高空极限作业的一种自动机械装置越来越受到人们的重视 我国从1 9 8 7 年实施国家8 6 3 高技术研究发展计划以来, 把智能机器人确立为自动化领域的主体之一, 在特种机器人机器人应用工程机器人基础学科等方面取得了很大成绩概括起来, 爬壁机器人主要用于: 1 核工业对核废液储罐进行视觉检查测厚及焊缝探伤等 2 石化企业对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈喷漆防腐 3 建筑行业喷涂巨型墙面安装瓷砖壁面清洗擦玻璃等 4 消防部门用于传递救援物资进行救援工作 5 造船业用于喷涂船体的内外壁等 1.1.1 国内外爬壁机
