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1、中北大学信息商务学院2010届本科毕业设计说明书 仿生微小机器人模糊PID控制系统设计 1 引言 在人类不断地探索自然、认识自然和改造自然的历史中，机械与自动化一直是人们不断探求的技术之一，无论是用于农业的磨盘和播种机、用于出行的马车和飞机还是用于战争的弩机和机枪，无疑都是人类在这一领域智慧结晶的具体展现，都标志着人类科技的持续进步。而“机器人”这一代表着机械与自动化技术完美结合与最高成就的产物，正是人类不断解放生产力、发展生产力的必然产物，是当下人类最为向往的技术之一。机器人”是存在于多种语言和文字中的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种象人一样的机器甚至是人造人，以便能够代
2、替人去进行各种工作1J。从传说中三千年前诸葛亮设计的“木牛流马”到20世纪20年代捷克作家凯培克在罗莎姆的万能机器人中所创造和描述的“Robot”，都显示出人类对机器人的美好憧憬。根据美国作家阿西莫夫在小说中提出并被机器人研究者、制造商和用户所广泛接受的“机器人三守则”所述，机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观;机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类;机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。从初创时起，机器人就成为世界各国争相研究和发展的热点，发展至今已在工业领域，如焊接、装配等产业发挥着广泛的作用，并逐渐步入航空航天、地下水下、生活娱
3、乐等领域，具有很高的科研和产业价值。因此机器人技术的发展程度对国家的发展具有重要的战略和现实意义。本论文主要进行以下的具体研究工作：1.1机器人学 二战期间美国军方首先研究并投入生产的遥控操作器和数控机床，标志着现代机器人技术2开始走向应用。近年来，机器人技术在军事、航天、建筑、工业等领域都获得了快速显著的发展，在最艰苦、最危险的工作环境下协助或者代替人类进行着大量的工作，如排爆机器人、无人机、水下机器人、火星探测机器人等，同时也大大提高了生产效率，如各种工业机械臂等为人类做出了巨大的贡献。机器人学交叉融合了机械、电子、材料、计算机、自动化、传感技术、控制技术、人工智能、仿生学等各门学科和技术
4、，立足高科技发展的前沿，成为当今科技发展的标杆，是目前发展最活跃的研究领域之一，并且开始逐渐步入人们的日常生活中，各种服务型机器人、娱乐型机器人的产生已经开始改变人们的生活、娱乐方式。目前机器人学不断发展，各种新型机器人层出不穷，其中又以仿人机器人最为引人注目13一，。仿人机器人是模拟人的形态和行为的机器人，其具有类似体理结构的关节连杆结构，通常有头部、身体、腰、手、足等部件组成，并由各种传感器来模拟视觉、触觉等方面的功能，可以模拟人类行走、抓握等行为方式。因为仿人机器人拥有类似人类的外形和物理结构，更容易和人类相处，这类机器人的出现标志着该领域新时代的开始，对其研究已经成为机器人领域世界各国
5、竞相发展的重点。仿人机器人比普通机器人有更强的性能和适应性，但因此也极大地增加了结构复杂度，其关节连杆结构和自由度成倍增加，也加大了设计与制造时的工作量和难度，对机器人研究领域提出了新的挑战。 1.2机器人建模与仿真 目前机器人领域研究开发主要困难在于实物机器人结构复杂、价格昂贵、故障排除困难和损耗较大。同时机器人(尤其是仿人机器人)通常是由多连杆、多自由度组成的复杂结构。在实际开发和测试实物机器人的过程中，需要设计和解析其复杂的机械结构，采集并分析其大量的运动学、动力学参数，设计和验证机浙江大学硕士学位论文第】章绪论器人运动规划数据(如仿人机器人步态规划数据)，通过反复实验以完成机械结构设计
6、的精确度和规划数据设计的准确性等校验。随着机器人机械结构日趋复杂，传统设计过程中采用人工计算需要极大的工作量，这是困难而低效的，也因此带来了技术研究的瓶颈。目前突破传统设计的一个主要方向是采用建模与仿真方法，即通过对机器人硬件及所处环境建模并仿真，以有效提高机器人控制软件和算法的开发效率，提供更优越的软件测试条件，减少不必要的扰动和噪声，并降低硬件损耗以避免不必要的损失，降低机器人研究、开发与实验的难度。机器人建模系统可建立机器人所处环境模型和机器人自身模型。环境模型包括机器人所处现实物理环境各种物体的模拟，通过建立地面、障碍物、目标物等模型支持机器人与虚拟环境的交互。机器人自身模型包括机器人
7、几何外型模型、连杆结构模型、物理结构模型、驱动器模型等。通过此类建模可以实现在虚拟实环境中构建模型并进行相应测试和修改，通过校验验证其真实机械结构设计的精确度，从而减少人工计算量和实物实验成本。机器人仿真系统可在虚拟环境下展现机器人所处的真实世界，在获取机器人模型后通过对其进行仿真，可模拟其机械结构、控制系统和运动规划，并在虚拟的仿真环境下完成机器人的运动学、动力学分析，模拟其运动过程和结果，反馈各种有效的物理参数。通过在机器人系统仿真环境下进行各种设计、开发和测试实验，发现机器人控制系统、机械结构等方面的各种不足并做出及时有效调整减少对机器人实体反复进行的无效物理实验，对机器人研发有着实际指
8、导意义。因此在制造物理实体机器人之前的设计过程中，对机器人连杆、物理结构等进行建模，并在虚拟现实的仿真环境中模拟机器人所处环境、控制系统、机械结构，进行运动学、动力学和控制仿真，可以大幅减少研发成本、有效缩短开发周期、显著提高设计质量，正是目前机器人设计领域的研究热点和发展趋势。机器人仿真系统的另外一个应用是其可用于机器人的教学和培训。机器人价格昂贵，在进行机器人教学和培训中使用实体机器人成本耗费巨大，而成熟的机器人建模与仿真系统为此提供一个方便和灵活的实验工具和手段。1.3问题的提出 目前己有很多研究者致力于机器人建模与仿真并提出其方法，但仍然存在建模复杂耗时、仿真参数获取困难、操作过程繁复
9、等问题。针对上述情况，本文研究基于图形交互的机器人建模与仿真方法并实现其系统，提供易用的交互式用户界面，支持快速建立和校验实物机器人关节连杆结构、物理碰撞检测形状、驱动器等模型;支持实时高效的机器人三维动力学仿真、绘制和动力学参数反馈，支持控制仿真和驱动器调试等功能。本文从以下三点进行研究。本文通过研究仿人机器人建模方法，建立可视化的机器人建模系统，可交互式地完成从机器人几何模型到连杆模型、物理模型的快速建模和校验，从而实现对实物机器人连杆结构和物理碰撞检测形状的模拟。以关节连杆结构为基础，机器人完整仿真模型内容可根据用户需求进一步扩展，增加驱动器模型、传感器模型等建模。同时，设定完毕的机器人
10、仿真模型文件既可单独用于完成机器人运动学仿真过程，也可用于各种机器人仿真系统如基于MSRS的机器人仿真系统和基于物理引擎的机器人仿真系统的输入。本文研究并实现基于 MsRs(MicrosonRobotieSstudio)的机器人仿真系统。系统充分利用MSRS系统集成度高、通用性强等优势，用户通过导入机器人连杆模型SGM文件和运动规划文件可交互地完成实时机器人三维动力学仿真并获取部分动力学参数，改进了MSRS难以获取机器人动力学参数的问题，同时将大量环境对象、机器人模型等封装成服务以支持重用。本文研究并实现基于物理引擎的机器人仿真系统。系统充分利用Physx刀引擎物理仿真和碰撞检测准确度高等优势
11、，真实模拟机器人关节电机和控制器的复杂结构，用户导入机器人完整仿真模型文件ROB并交互进行实时三维物理仿真和控制过程，系统绘制仿真结果并根据用户需求反馈大量物理参数以供分析。系统对机器人研究者在建立真实机器人之前进行的电机选型、机械结构设计和控制器设计等工作具有现实指导意义。本文研究方法和系统可指导实物机器人设计和选型，有效提高机器人研发效率、大幅降低研发时间和成本。1.4本文工作和论文结构 1本文研究的机器人可视化建模与仿真方法，要求快速建立准确的机器人连杆结构模型、物理模型等并实现实时精确的机器人运动学和动力学仿真和碰撞检测过程，同时反馈建立实物机器人所需的可靠评估参数。基于以上要求，本文
12、做了大量针对性研究工作并通过建立以下三个系统完成以上要求。1.基于图形交互的快速机器人建模系统(Gr即hies一 basedRoboticSModelingsystem:o删s)。基于visuale+建立用户界面并采用openGL8图形绘制库实时完成三维绘制。根据导入的机器人几何模型，由系统提供交互式接口帮助用户设定机器人关节连杆结构及其参数，同时利用连杆结构校验功能快速精确地完成机器人连杆和物一理模型建模并导出建立完毕的机器人仿真模型文件以供各种仿真系统使用。 2基于MSRS的机器人仿真系统(MsRS一 basedRoboticssimulationsystem:MRSS)。基于 Miero
13、softRobotieSStudio机器人仿真平台进行开发。通过导入机器人仿真模型文件，导入机器人运动规划文件或输入运动控制数据，系统支持用户交互地进行实时机器人三维动力学仿真和绘制，同时反馈物理参数以供分析。 3基于物理引擎的机器人仿真系统(PhysiesEngine basedRobotieSSimulationsystem:PERss)。基于visuale+建立用户界面，采用physX物理引擎实时完成三维动力学仿真并采用OpenGL图形绘制库实时完成三维仿真结果绘制。系统的设计灵活，通过设定关节、马达和控制器参数，可模拟完整的机器人马达和控制器，方便用户进行针对性更强的机器人三维动力学仿
14、真，其反馈参数也更丰富。本文内容共分为六章，其结构安排如下: 第一章为本文绪论。主要介绍机器人学的研究现状和发展趋势，本文的研究意义和主要研究内容。 第二章为本文研究背景。主要对机器人建模和机器人仿真研究的技术背景进行详细分析，也为其余各章节作理论张本。 第三章介绍基于图形交互的机器人建模系统GRMS。详细阐述机器人连杆结构模型、物理模型和完整仿真模型的结构、设计含义及其建模实现方法，阐述机浙江大学硕士学位论文.绪论器人模型校验过程，并通过实验对其进行分析。 第四章介绍基于MSRS的机器人仿真系统MRSS。提出基于MSRS的机器人仿真方法并细分析其实现，最后通过实验分析其仿真结果和可行性。 第
15、五章介绍基于物理引擎的机器人仿真系统PERSS。提出基于物理引擎封装层的机器人仿真系统并详细分析其实现方法，提出基于PID控制原理的机器人关节驱动器仿真方法。最后通过实验分析其仿真结果和可行性。2 微小型机器人结构原理 章微小型装配机器人结构原理装配机器人是指在工业生产中，用于装配生产线上，对零部件进行装配的工业机器人，它属于高、精、尖的机电一体化产品，是集机械、微电子、自动控制于一体的高科技产品，具有很强大的功能和很高的经济效益。相对于一般的工业机器人，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小能与其它系统配套使用的特点。而微小型装配机器人，应具有结构紧凑、运动灵活、重复定位精度高等特点。因
16、此，首先要设计具有完成装配能力的机器人结构本体，并设计可以直接驱动机器人关节，而不需要繁琐的减速及传动机构的驱动器。2.1 机器人设计原理机器人原理设计在机械装备、电子设备制造等行业中，用于装配作业的机器人的主要操作是：垂直向上抓起零部件，水平移动它，然后垂直放下插入。要求这些操作进行的既快又平稳。因此，一种能够沿着水平和垂直方向移动，并能对工作平面施加压力的机器人是最适于装配工作的。此外，对于某些装配工作，要求装配机器人或其装配工具具有某种柔顺性，即具有自动对准中心孔的能力。平面型关节机器人可以看作是关节坐标式机器人的特例。它只有平行的肩关节，关节轴线共面。其最显著的特点是在XY平面上的运动具有较大的柔性，而沿Z轴具有很强的刚性，所以它具有选择的柔性，这种机器人在装配作业中获得了很
