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1、北京航空航天大学研究生课程考核记录20122013 学年 第一学期学号 SY12072* 姓名 * 成绩 课程名称：产品设计与虚拟样机论文题目： *任课教师评语：任课教师签字： 考核日期： 年 月 日 产品设计与虚拟样机 课 题： 尺蠖的虚拟样机仿真 姓 名： 湛 超 越学 号： SY0807204班 级： SY08072指导教师： 郭 卫 东 教授2009年2月15日尺蠖的虚拟样机仿真摘要实验室在研究爬壁蠕虫机器人的时候曾提出要建立爬壁蠕虫机器人的虚拟样机，以期实现机器人的仿真运动及运动分析、动力学分析。由此我想到可以利用ADAMS软件对爬壁蠕虫机器人进行建立虚拟样机和进行虚拟仿真。但是建立
2、爬壁蠕虫机器人的虚拟样机比较困难，因为爬壁蠕虫机器人结构复杂，属于多关节机器人，其运动步态多种多样，从实验和理论上分析其步态都不是一件容易的事情，加之本人接触ADAMS时间较短，对ADAMS的了解还属于入门阶段。为此本文从简化问题和对所学知识实践两方面来考虑，把爬壁蠕虫机器人有多关节简化到尺蠖形态的三关节简单机器虫，目的是建立一个简单的虚拟样机使其可以虚拟尺蠖在虚拟的壁面上爬行。关键词：尺蠖、虚拟样机、ADAMS应用、仿真目录1 问题的分析42 尺蠖虚拟样机建模52.1 设置工作环境52.2 吸盘的建模与验证62.2.1 接触（Contact）的仿真验证72.2.2 吸盘压紧壁面产生吸附力的仿
3、真验证92.2.3 吸盘的简化模型112.3 尺蠖机器人的简化建模122.3.1 尺蠖机器人的简化模型122.3.2 尺蠖的步态分析及关节函数143.3.3 吸盘吸附力函数163 尺蠖壁面爬行仿真分析17课程总结21参考文献221 问题的分析本问题来源于本科时的毕业设计。北京航空航天大学机器人所ARMS实验室在研制微小型爬壁蠕虫机器人的时候遇到了一些较难解决的问题。如在进行蠕虫机器人的一些验证实验的时候，由于未考虑到或者是未预测到蠕虫在爬行的时候自由度会随着各个吸盘吸附、放气形成的闭链和开链而变化，从而因驱动误差导致了闭链情况下的冗余驱动，使得在吸盘处产生了较大的侧滑力，这种冗余驱动严重时会破
4、坏吸盘的真空状态，阻碍了爬壁、爬行的持续进行。因此希望能通过理论推导或者虚拟仿真等多种方法来找到引起较大侧滑力的原因，以及找到合适的解决方法。既然要建立爬壁蠕虫机器人的虚拟样机，那么就要从简单的虚拟样机入手，比如建立一个尺蠖机器人的虚拟样机，通过简单的尺蠖虚拟样机来获取经验，然后在进一步建立完整的尺蠖机器人虚拟样机。本文正是以建立一个简单的尺蠖虫机器人虚拟样机为基础的。要建立一个尺蠖虚拟样机有以下几个要求：1、该虚拟样机应该具有三个关节；2、该虚拟样机应该具有吸附机构，以模拟尺蠖吸附壁面等动作；3、该虚拟样机能虚拟尺蠖的爬行方式，即模拟尺蠖的步态；4、该虚拟样机能虚拟尺蠖爬行垂直墙壁的行为。如
5、果能够完成以上4个要求，则说明所建立的简单尺蠖虚拟样机是比较符合实际的。然而在建立虚拟样机的时候，我们碰到一些困难，比如实验室所制作的蠕虫机器人或尺蠖机器人是采用吸盘来吸附壁面的，那么我们在虚拟环境中如何建立吸盘的模型呢？我们知道在ADAMS环境中建立柔性体是比较困难的，特别是形状复杂的柔性体，再者，即使能够建立复杂的柔性体，但是ADAMS中如何实现吸盘吸附壁面所产生的真空行为呢？建立了吸盘的虚拟模型之后，如何使其吸附在壁面上呢？是真空所引起大气压的压力还是吸盘与壁面所产生的摩擦力或者两者都有呢？如何模拟这些力呢？还有如何设计尺蠖的步态，记尺蠖应该如何爬行呢？等等这些问题我们都会在后面一一思考
6、和解决。2 尺蠖虚拟样机建模新建一个ADAMS模型，将其命名为chihuo。2.1 设置工作环境在建立虚拟样机之前，一般都需要进行必要的工作环境设置，如选择坐标系、单位、工作栅格、重力方向等。1. 设置坐标系通过选择菜单【Setting】/【Coordinate System】命令，在弹出如图2.1所示的设置坐标系对话框中选择笛卡尔（Cartesian）坐标系、相对于刚体坐标系（Body Fixed）以及313旋转序列。2. 设置工作栅格工作栅格可以让我们很好的捕捉屏幕中的点，设置工作栅格是很有必要的。可通过选择菜单【Setting】/【Working Grid】命令来设置，具体设置如图2.2
7、所示。 图2.1 设置坐标系 图2.2 设置工作栅格3. 设置单位通过【Setting】/【Units】命令来设置单位，具体设置如图2.3所示。 图2.3 设置单位 图2.4 设置重力加速度4. 设置重力加速度ADAMS允许用户随意设置重力加速度的方向大小以及有无等情况，这为我们提供了诸多方便，比如我们可以只建立一个模型就可以仿真水平面（-Y方向）以及壁面的爬行情况（-X方向）。可通过【Setting】/【Gravity】命令来设置重力加速度，如图2.4所示。2.2 吸盘的建模与验证在进行爬壁蠕虫机器人的仿真建模之前，应该要对机器人进行简要的结构分析和力学分析。对吸盘的分析很重要，因为是否能在
8、虚拟环境中模拟吸盘吸附和放气的状态决定了仿真的成功与否。在ADAMS的虚拟环境中是不存在大气及大气压这种条件的，因此我们不可能在ADAMS中像现实中那样要求吸盘通过扩容来实现吸附功能，我们要通过另外的方式，比如力学简化模型来描述这一功能。实际采用的吸盘是由硅胶制作的，也就是说吸盘是个柔性体。在ADAMS中创建复杂形体的柔性体是比较困难的，要借助Ansys软件来创建柔性体的话，将会极大的增加工作量。那有没有更简便的方法来实现吸盘吸附放气以及变形这些功能呢？事实上我们可以通过建立具有同样力学特性的刚体模型来达到这一目的。2.2.1 接触（Contact）的仿真验证一个物体被压紧在壁面上能够保持不滑
9、落的两个基本条件是：该物体与壁面之间存在着摩擦以及该物体所受的压力足够大使得产生的摩擦力可以克服本身重力。吸盘吸附于墙面上的情况也是类似的，吸盘靠真空产生吸力等效于受到一个垂直于壁面的压力，从而产生与重力相反的摩擦力。为了找到合适的参数，首先做了个简单的仿真验证。如图2.5所示在ADAMS中建立一个墙面Wall以及一个紧挨着墙面的方块Block。墙面与大地“ground”是固定起来的，由此添加了墙面与ground之间的固连副。重力方向设置为X轴正方向，重力大小设为。方块Block的质量为1kg，则方块的重力为9.80665N，略比10N小。方块所受的垂直于墙面的压力N的大小为20N。ADAMS
10、之间的零件默认是没有相互干涉关系的，也就是零件之间的体积可以重叠却不会产生体积干涉碰撞等影响。要使方块能与墙面接触上，则应该在它们之间定义一个接触（Contact），这样当方块与墙面接触上也即有了体积碰撞后就会产生碰撞力，接触的参数设置如图2.6所示，参数的意义说明由表2.1给出。方块Block墙面Wall所受压力N定义的接触重力方向图2.5 壁面压紧保持验证仿真静态阻力系数为0.5，则因正压力20N可产生的最大摩擦力为10N，略大于9.80665N，理论上应该可以保持被压紧状态而不会下滑。但是其他参数如静态阻力滑移速度、动态阻力转换速度、最大的粘滞阻尼系数等参数的调节也会对仿真产生较大的影响
11、。由于吸盘相对壁面运动速度很小，故静态阻力滑移速度和动态图2.6 接触（Contact）参数设置阻力转换速度设置为0.1和1.0。对于最大的粘滞阻尼系数则需要进一步调节，经过多次仿真测试，将其设置为1000，这样可以模拟吸盘与壁面之间产生较大的阻尼，其他参数采用默认设置。这种方法称之为试凑法。将仿真时间设置为2.0s，仿真步数设置为500，对方块（Block）的质心的X方向位移进行测量，测量结果如图2.7所示。从测量结果可看出方块（Block）的质心X方向位移变化仅为0.45mm，曲线的趋势趋于水平，表面方块已经很稳定地被压紧在壁面上。图2.7 方块（Blcok）质心X轴方向位移的测量表2.1
12、 接触（Contact）的参数说明参数名参数说明赋值Stiffness刚性系数，产生单位接触变形的力1.0E+005Force Exponent力的非线性指数2.2Damping最大的粘滞阻尼系数1000.0Penetration Depth最大阻尼时构件的变形深度0.1Static Friction Coefficient静态阻力系数0.5Static Friction Transition Velocity静态阻力滑移速度，即静态阻力达到最大时的临界速度0.1Dynamic Friction Coefficient动态阻力系数0.5Dynamic Friction Transition V
13、elocity动态阻力转换速度，即静态阻力全部转换为动态阻力时的临界速度1.02.2.2 吸盘压紧壁面产生吸附力的仿真验证上一小节方块被压紧在壁面上的压力N是预设的，是在仿真之前就加上去了的，这不符合蠕虫机器人的吸盘是在关节的驱动下压紧壁面再产生吸力的实际。为了验证吸盘在压紧壁面后产生吸力然后保持稳定吸附而不下滑，我们有必要进行一个吸盘压紧壁面产生吸附力的验证仿真。为此建立了一个如图2.8所示的吸盘简化模型，驱动连杆的一端与地面ground固定，另一端与吸盘的简化模型相连，并驱动吸盘压向壁面，调节好两个关节驱动函数，可以使吸盘垂直的压向壁面。重力方向设置为-Y方向。当然了这里需要用到上一小节验
14、证后的接触（Contact）的参数设置，这里定义了吸盘与壁面的接触。壁面吸盘简化模型驱动连杆图2.8 吸盘压紧壁面产生吸附力仿真模型当吸盘简化模型（简称吸盘）压向壁面并使吸盘的端面与壁面的距离为0时，产生一个吸附力F，这里所设置的SFORCE_1便是这样的吸附力。正如前面所说，我们可以定义力的函数表达式，使其达到我们的目的。SFORCE_1的函数表达式设置为：IF(DX(MARKER_C,MARKER_O,MARKER_O): 100,100,0)。这里使用到了IF()函数以及ADAMS的建模函数DX()。IF函数的表的格式为：IF(expr1: expr2,expr3,expr4)式中：expr1为控制量，expr2、expr3、expr4均为表达式。 对于函数F= IF(expr1: expr2,expr3,expr4)的含义为DX()函数的格式为：DX(Object1,Object2,Frame)，该函数功能为：返回坐标系Object1相对于Object2在参考坐标系Frame的X轴方向的位移。由此可以得知IF(DX(MAR
