畢業(yè)論文可調(diào)式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和建模

1、畢業(yè)論文_可調(diào)式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)-運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和建模第一章 緒論1.1 課題的研究背景和意義近年來，對(duì)雙足行走運(yùn)動(dòng)的研究成為了力學(xué)、機(jī)械、控制、機(jī)器人學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科的熱點(diǎn)問題。與大多數(shù)四足或六足的動(dòng)物相比，人類的雙足行走運(yùn)動(dòng)可以把上肢解放出來，在運(yùn)動(dòng)的過程中完成其他的任務(wù)，且可以實(shí)現(xiàn)在更復(fù)雜、更崎嶇的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，人類的雙足運(yùn)動(dòng)在穩(wěn)定性的控制上也具有更高的要求。自 20 世紀(jì) 90 年代以來，對(duì)雙足行走機(jī)器人的研究成為了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題。將基于主動(dòng)控制的雙足運(yùn)動(dòng)與基于被動(dòng)行走的雙足運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，對(duì)于提高雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)都有十分重要的意義。世界上第一臺(tái)的機(jī)

2、器人樣機(jī)制造于1954年的美國，它基本上體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人的主要特征，雖然它僅僅是一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)，但是為機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展起到很大的推動(dòng)和指引作用。隨后美國的聯(lián)合控制公司（consolidatedcontrol company)于1960年研制出了第一臺(tái)具有真正意義的工業(yè)機(jī)器人。兩年后美國的機(jī)床與鑄造公司amf也生產(chǎn)出了另外一種可以進(jìn)行編程并實(shí)際用于工業(yè)操作的工業(yè)機(jī)器人。20世紀(jì)70年代，機(jī)器人技術(shù)開始向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并逐漸發(fā)展成為一門專門的有著自己較系統(tǒng)理論的一門學(xué)科機(jī)器人學(xué)（robotics)，這樣就進(jìn)一步擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，如圖1所示為機(jī)器人的各種應(yīng)用實(shí)例。圖1 機(jī)器人各種應(yīng)用領(lǐng)

3、域隨后各種坐標(biāo)系統(tǒng)、各種結(jié)構(gòu)機(jī)器人的相繼出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的飛躍發(fā)展，使得機(jī)器人的性能和結(jié)構(gòu)有了很大的進(jìn)步，同時(shí)成本也在不斷下降。20世紀(jì)80年代，各種不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法以及不同用途的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)進(jìn)入了真正的實(shí)用化普及階段。隨著傳感器技術(shù)和智能.技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人的研究范圍也逐漸擴(kuò)大，機(jī)器人的視覺、觸覺、力覺、聽覺、接近覺等方面的研究大大的提高了機(jī)器人的自適應(yīng)能力，促進(jìn)了機(jī)器人的人性化進(jìn)程。20世紀(jì)90年代，機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迅速發(fā)展，這一時(shí)期，各種裝配的機(jī)器人產(chǎn)量增長迅速，與機(jī)器人配套使用的裝置和視覺技術(shù)也得到迅猛發(fā)展。21世紀(jì)以來，機(jī)器人不僅僅局限于桿

4、件結(jié)構(gòu)，人們開始賦予它新的“肌肉”、“血管”，使其能夠更好的比照人類進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和“生活”。這時(shí)期，機(jī)器人的形象更加豐富，感官、知覺等也越來越“人性化”。近幾年，機(jī)器人特別是雙足機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，不管是從專業(yè)技術(shù)水平上，還是從裝備的數(shù)量上，都具有集中優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人研究強(qiáng)國日本研發(fā)的新型的面向人們?nèi)粘Ｉ詈头?wù)行業(yè)的“醫(yī)療機(jī)器人”、“唱歌機(jī)器人”、“服務(wù)機(jī)器人”等正逐漸進(jìn)入角色，走進(jìn)人們的生活，如圖2和圖3所示。2011年全球組織機(jī)器人進(jìn)行全程馬拉松大賽，要求兩條腿的機(jī)器人完成約42.2公里的奔跑，此次比賽就是為了證實(shí)機(jī)器人的耐久性和靈活性。圖2 “唱歌機(jī)器人”和“服務(wù)機(jī)器人”圖3 “醫(yī)療機(jī)器人

5、”和“工業(yè)機(jī)器人”研究雙足行走機(jī)器人的目的和意義主要體現(xiàn)在以下 2 個(gè)方面：1) 設(shè)計(jì)、研制高效、穩(wěn)定的雙足機(jī)器人及輔助行走設(shè)備，推進(jìn)工程技術(shù)的進(jìn)步。從上個(gè)世紀(jì)開始，各國科學(xué)家一直致力于研制具有雙足運(yùn)動(dòng)能力的仿人機(jī)器人。雙足機(jī)器人可以幫助人們?cè)趶?fù)雜的環(huán)境下作業(yè)、為人類服務(wù)。目前比較有代表性的是本田公司于 2000 年發(fā)布的雙足機(jī)器人 asimo，高度為 120 cm，重量 43 kg，可以實(shí)現(xiàn)行走、舞蹈、上下樓梯等運(yùn)動(dòng)，并可以與人交互，完成推車、導(dǎo)游等任務(wù)。將雙足運(yùn)動(dòng)的機(jī)理應(yīng)用到人工智能假肢中，進(jìn)行助殘和康復(fù)方面的研究也是雙足運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。2) 通過對(duì)雙足運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，更好地理解人

6、類雙足行走的機(jī)理。人類的雙足行走運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，需要包括下肢和軀干在內(nèi)的很多塊肌肉的協(xié)調(diào)配合，來達(dá)到穩(wěn)定的行走。由于人類可以在各種復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自然、穩(wěn)定、高效的行走，人類的行走運(yùn)動(dòng)為研制雙足機(jī)器人提供了一個(gè)很好的自然界的范本。通過對(duì)雙足行走機(jī)器人以及雙足運(yùn)動(dòng)建模的研究，可以幫助我們進(jìn)一步探索、發(fā)現(xiàn)人類雙足行走的機(jī)理。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和起步比國內(nèi)較早，以歐、美、日的發(fā)展最為迅速。法國于2000年開發(fā)了一種具有15個(gè)自由度的能夠適應(yīng)在未知外界條件下的步行機(jī)器人bip2000，可以實(shí)現(xiàn)靜止站立、勻速行走、在線爬坡和簡(jiǎn)單上下樓梯等動(dòng)作。麻省理工學(xué)院

7、2005年設(shè)計(jì)研制了的機(jī)器人domo，如圖4所示，該機(jī)器人具有29個(gè)自由度，雖然它的部分關(guān)節(jié)雖然沒有利用電動(dòng)機(jī)和控制器，但是卻能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的仿真運(yùn)動(dòng)，隨后其又提出了一種虛擬模型控制策略（virtual model control-vmc)，并且有效的應(yīng)用于名為spring turkey和spring flamingo的兩個(gè)雙足機(jī)器人的控制系統(tǒng)中。同時(shí)為了能夠更加有效的利用機(jī)械勢(shì)能使其腿部能夠完成被動(dòng)的擺動(dòng)過程，在步態(tài)規(guī)劃的過程中參考了人類行走過程中的部分機(jī)構(gòu)被動(dòng)特性，將步態(tài)周期劃分四個(gè)階段分別設(shè)計(jì)研究，而且在實(shí)際的行走試驗(yàn)過程中無明顯的停頓現(xiàn)象。此外，美國還推出了可以奔跑和表演體操的平面型雙足機(jī)

8、器人，最大速度高達(dá)4. 3m/s。圖4 機(jī)器人domo日本本田公司1996年研制出了世界上第一臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)無線控制、動(dòng)態(tài)行走、的自主型仿人步行機(jī)器人樣機(jī)p2，速度可達(dá)3km/h、并且能上下樓梯、推動(dòng)物體，高182cm，重210kg,具有30個(gè)自由度，隨后推出了自適應(yīng)雙足步行機(jī)器人p3，該機(jī)器人設(shè)有傳感器，自適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在障礙地面穩(wěn)定行走，是一款可以自行上樓梯的仿人形機(jī)器人。還有可以自由轉(zhuǎn)向的仿人形機(jī)器人asimo,具有26個(gè)自由度，其身高120cm，體重42kg，行走速度范圍是0-1.6km/h，可以自我預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心，可以進(jìn)行彎腰、上下樓梯、“8”字形行走等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作

9、，此外還可以與人握手、揮手，甚至可以隨著音樂緩緩起舞。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前，隨著機(jī)器人技術(shù)的完善以及應(yīng)用的領(lǐng)域的擴(kuò)大，我國的機(jī)器人技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展并逐步形成體系。特別是21世紀(jì)以來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，無論是工業(yè)還是服務(wù)業(yè)領(lǐng)域都有了較大的發(fā)展。國防科技大學(xué)研究出了擁有12個(gè)自由度的空間性雙足機(jī)器人kdw-3，實(shí)現(xiàn)了步長0.2m、周期0.8s的動(dòng)態(tài)行走，并具備轉(zhuǎn)彎功能，該機(jī)器人最大可爬行角度為13的斜坡其后，于2000年又研制出了仿人型機(jī)器人“先行者”號(hào)，如圖5所示，它的控制系統(tǒng)擁有一定的語言功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的重大突破。圖5 仿人型機(jī)器人“先行者”號(hào)2000年，上海交通

10、大學(xué)智能機(jī)器人研究室研制除了共有24個(gè)自由度的仿人機(jī)器人sfhr，包含腿部的12個(gè)自由度、手臂的10個(gè)自由度和身上的2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)步長0. im，周期3.5s的步行運(yùn)動(dòng)。2001年又制造了 “交龍”號(hào)輪椅機(jī)器人，“交龍”號(hào)的智能輪椅配備有激光測(cè)距雷達(dá)和視覺傳感器，可以通過引導(dǎo)和實(shí)踐自動(dòng)記憶環(huán)境地圖，具有高精度自定位能力，該輪椅具有靈敏迅捷的躲避障礙和路徑規(guī)劃能力、觸摸屏和語音交互功能以及高度的安全性和機(jī)動(dòng)性。2002年，北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)的擁有32個(gè)自由度的仿人機(jī)器人bhr-1，如圖6所示，可實(shí)現(xiàn)步長0.33m,速度ikm/h的動(dòng)態(tài)行走，并能根據(jù)自身的傳感器和平圖6 仿人機(jī)器人bhr-1衡

11、感知能力來平衡自身與地面的接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走2004年哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了一款可以踢球的仿人足球機(jī)器人hit，該機(jī)器人身高約50cm,共有17個(gè)關(guān)節(jié)，全身各個(gè)關(guān)節(jié)包括腰部、膝蓋、胯部、腳踝等都是用螺絲連接，該機(jī)器人的行走速度可以達(dá)到0.2m/s，其頭部配有攝像頭，用來判斷識(shí)別足球、其他球員以及障礙物，從而在比賽過程中自適應(yīng)避障、準(zhǔn)確射門，另外，它還可以進(jìn)行爬樓梯等運(yùn)動(dòng)。近期清華大學(xué)在985計(jì)劃的支持下設(shè)計(jì)出了仿人型機(jī)器人thbip-1，該機(jī)器人具有32個(gè)自由度，高170畫，重130kg,具有良好的自適應(yīng)能力和反應(yīng)能力。此外，我國于2008年組織了雙足機(jī)器人足球賽和機(jī)器人武術(shù)擂

12、臺(tái)賽，這時(shí)的機(jī)器人的反應(yīng)更加敏捷，對(duì)周圍感知能力更強(qiáng)，而且更具有“人”性化。1.3 雙足行走機(jī)器人的分類目前國內(nèi)外對(duì)雙足行走運(yùn)動(dòng)的研究，可以從穩(wěn)定性角度和力學(xué)角度進(jìn)行分類。1.3.1 從穩(wěn)定性的角度分類從穩(wěn)定性的角度，雙足行走可以分為靜態(tài)行走和動(dòng)態(tài)行走。將能包容機(jī)器人足底與地面之間的所有接觸點(diǎn)的最小多邊形區(qū)域稱為支撐多邊形，則在靜態(tài)行走中，在運(yùn)動(dòng)過程中行走者的質(zhì)心在地面上的投影始終不超過支撐多邊形的范圍。而在動(dòng)態(tài)行走中，行走者的質(zhì)心在地面上的投影在某些時(shí)刻會(huì)在支撐多邊形之外。靜態(tài)行走的優(yōu)點(diǎn)是可以時(shí)刻保證穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是行走速度會(huì)受到極大的限制。動(dòng)態(tài)行走中，很多機(jī)器人采用的是基于零力矩法(zero

13、 moment point，zmp)的控制方法。這種機(jī)器人在行走過程中，支撐腿的腳掌與地面保持全接觸的狀態(tài)。相比于靜態(tài)行走，基于 zmp 的行走中的限制條件更寬松一些，機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)在更大速度范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，但是在運(yùn)動(dòng)效率、步態(tài)自然性等方面依然和人類行走相差比較遠(yuǎn)。與基于 zmp控制的行走方式相比，基于極限環(huán)的行走(limitcycle walking)中的限制條件更為寬松?；跇O限環(huán)行走的概念最早由 hurmuzlu 等人提出，hobbelen等人又進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，其基本思想是：將行走運(yùn)動(dòng)看作一個(gè)極限環(huán)，不是在每時(shí)每刻都局部穩(wěn)定，但是在整體上能形成穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)序列。這種運(yùn)動(dòng)方式的雙足機(jī)器

14、人，具有更高的運(yùn)動(dòng)效率，而且更容易實(shí)現(xiàn)較高速度的行走。1.3.2 從力學(xué)角度分類從生物力學(xué)角度，雙足行走可以分為基于主動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)和基于被動(dòng)行走的運(yùn)動(dòng)?；谥鲃?dòng)控制的雙足行走中，一般在所有關(guān)節(jié)都施加驅(qū)動(dòng)，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡是事先指定好的，根據(jù)期望的關(guān)節(jié)軌跡，計(jì)算各時(shí)刻所需要施加的驅(qū)動(dòng)力矩，用軌跡跟蹤的方法控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)準(zhǔn)確跟蹤事先指定的軌跡。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于：可以對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行精確的規(guī)劃，機(jī)器人可以在驅(qū)動(dòng)器功率允許的范圍內(nèi)完成各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)雙足運(yùn)動(dòng)的精確控制；缺點(diǎn)在于：能量消耗大，效率低，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能要求較高，步態(tài)不自然，與實(shí)際人類運(yùn)動(dòng)相差較大。基于被動(dòng)行走的雙足

15、運(yùn)動(dòng)，一般不對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確的規(guī)劃，直接施加較簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)和控制即可實(shí)現(xiàn)行走。這種行走的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)效率高，步態(tài)自然，接近人類實(shí)際運(yùn)動(dòng)，制作相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是控制難度高，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性不容易保證，難以實(shí)現(xiàn)上下樓梯，跨越障礙物等較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。1.4 虛擬樣機(jī)與運(yùn)動(dòng)仿真虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì)80年逐漸興起、基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)新概念。從國內(nèi)外對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù) (virtual prototyping, vp)的研究可以看出，虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在不同定義。一般來講，虛擬樣機(jī)技術(shù)是將cad建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(cscw)技術(shù)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知

16、識(shí)的推理技術(shù)、設(shè)計(jì)過程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成起來，形成一個(gè)基于計(jì)算機(jī)、桌面化的分布式環(huán)境以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的并行工程方法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行虛擬樣機(jī)制造和運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有重要的作用。本文將對(duì)鑿巖機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，制造虛擬樣機(jī)，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。虛擬樣機(jī)制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國處于國際研究的前沿，福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間。波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)(如圖10)是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)，它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)

17、成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€(gè)里程碑。圖10 777型大型客機(jī) 基于產(chǎn)品的數(shù)字化模型，應(yīng)用先進(jìn)的系統(tǒng)建模和仿真優(yōu)化技術(shù)，虛擬制造實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、制造到檢驗(yàn)全過程的動(dòng)態(tài)模擬(如圖11)，并對(duì)其運(yùn)作進(jìn)行了合理的決策與最優(yōu)控制。虛擬制造以產(chǎn)品的“軟”模型取代了實(shí)物樣機(jī)，通過對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的發(fā)布周期，提高了效率，本文將實(shí)現(xiàn)馬尾紗包芯紗紡紗機(jī)樣機(jī)的虛擬制造和動(dòng)態(tài)仿真。圖11 虛擬制造和動(dòng)態(tài)模擬 1.5 本文主要研究的內(nèi)容1、對(duì)可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷史及趨勢(shì)以及其在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的資料收集，進(jìn)行分析研究，熟悉

18、相關(guān)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀；2、熟悉、理解所研究可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的概念、機(jī)構(gòu)組成原理、運(yùn)動(dòng)形式以及驅(qū)動(dòng)模式，建立該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解方程；3、掌握并能熟練應(yīng)用solidworks、adams等三維建模、仿真軟件，建立可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的仿真模型；4、在三維實(shí)體環(huán)境中，識(shí)別可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，繪制性能圖譜；5、對(duì)機(jī)構(gòu)主要部件進(jìn)行尺度設(shè)計(jì)使其滿足特定工作任務(wù)需求，并繪制零件及裝配圖紙；6、總結(jié)設(shè)計(jì)內(nèi)容，按照我校關(guān)于畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的相關(guān)要求，撰寫具有一定質(zhì)量水平的畢業(yè)論文；第二章 可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分

19、析總述行走機(jī)構(gòu)可以看作剛性多連桿機(jī)構(gòu)，它是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。鏈的一端固定在基座上，另一端是自由的，安裝末端執(zhí)行器，用以完成各種作業(yè)。連桿關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致連桿的運(yùn)動(dòng)，從而使末端達(dá)到所需的位姿。為了研究行走機(jī)構(gòu)各個(gè)連桿之間的位移關(guān)系，可以在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系來描述連桿在該坐標(biāo)系中的位置，然后再描述這些坐標(biāo)系與坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而確定連桿與連桿之間的關(guān)系。1953年，由denavit和hartenberg提出了一種通用的建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法，即用一個(gè)44的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿之間的空間關(guān)系，然后推導(dǎo)出“末端坐標(biāo)系”相對(duì)于“參考

20、坐標(biāo)系”之間的等價(jià)齊次變換矩陣，從而建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程。機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要涉及到兩個(gè)問題：1、建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。即已知各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)，來求取末端執(zhí)行器(手爪)的空間位置和姿態(tài)，也即求運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解。2、求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。即已知機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器(手爪)的空間位置和姿態(tài)，來求取各個(gè)關(guān)節(jié)的相應(yīng)的參數(shù)值。即求運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。在本文中，將分別介紹行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求取步驟?？烧{(diào)式雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是對(duì)其實(shí)施運(yùn)動(dòng)控制、執(zhí)行器末端位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和軌跡規(guī)劃的理論基礎(chǔ)。2.2 系統(tǒng)描述與坐標(biāo)系的建立如圖1所示，為可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的方案圖，行走機(jī)構(gòu)每條腿由兩條對(duì)稱圖1 行走機(jī)構(gòu)方案圖的支鏈組成，形成并聯(lián)機(jī)

21、構(gòu)。每條支鏈由轉(zhuǎn)動(dòng)副將各個(gè)桿連接起來，對(duì)稱支鏈的末端連接動(dòng)平臺(tái)，即行走機(jī)構(gòu)末端，如圖2所示為三維實(shí)體結(jié)構(gòu)實(shí)體圖。圖2 可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)三維實(shí)體圖如圖3所示，為可調(diào)式雙足行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中，ai(i=1,2)表示支鏈i連架虎克鉸中心。以ai(i=1,2)的連線所在的直線為x軸，以ai(i=1,2)的中點(diǎn)為原點(diǎn)o，以與x軸垂直的方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系o-xyz。i1(i=1,2)表示支鏈i連架桿與水平線的夾角，i3(i=1,2)表示支鏈i與末端相連的桿與x軸之間的夾角。li0(i=1,2)表示支鏈i連架桿虎克鉸中心到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離，li1(i=1,2)表示支鏈i第1根桿的長度，li2(

22、i=1,2)表示支鏈i第二根桿的長度，li3(i=1,2)表示支鏈i第三根桿的長度，li4(i=1,2)表示支鏈i第四根桿的長度。oo表示末端中心與坐標(biāo)系原點(diǎn)的連線矢量，用以確定末端的位置。圖3 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3 行走機(jī)構(gòu)位置逆解分析根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和機(jī)器人動(dòng)力學(xué)推倒，進(jìn)行了行走機(jī)構(gòu)尺度綜合。圖中尺寸有如下關(guān)系：(1)(2) (3)(4)(5)(6)(7)對(duì)于第一支鏈：(8)(9)對(duì)于第二支鏈：(10)(11)根據(jù)上述方程，行走機(jī)構(gòu)逆解求解思路為：上述一共四個(gè)方程，存在四個(gè)未知數(shù)：，其中僅有兩個(gè)未知數(shù)是我們需要求出的：。逆解求解過程如下：由式（7）可得：(12)式中：；。由式（9

23、）可得：(13)式中；注意到式(5)的平方與式(6)的平方和等于1，所以有：(14)對(duì)于式(14)的求解可分為兩種情況求解：情形一：當(dāng)時(shí)，此時(shí)：這樣展開式（14）可得：(15)整理可得：(16)因此：(17)情形二：當(dāng)時(shí)，此時(shí)：這樣展開式（14）可得 (18)整理可得(19)為了求得，將三角萬能公式：；其中。代入方程（19）可得：(20) 整理可得： (21)這樣就有：(22) 式中：； 方程式（21）可以得到兩個(gè)值，取的值。 第二個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角求解與之相同。同理，可以得到第二個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)角:(23)式中：；。這樣給定腳的中心點(diǎn)的坐標(biāo)，即可求出兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角了。給定機(jī)構(gòu)的尺寸后，為驗(yàn)證算法的正確性，

24、可先選特殊的位置點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，比如x坐標(biāo)為零時(shí)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)角的大小應(yīng)該相同。第三章 行走機(jī)構(gòu)建模裝配和工程圖繪制3.1 三維實(shí)體建模概述零件的幾何造型與虛擬裝配是動(dòng)畫仿真的基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)工作過程的動(dòng)畫仿真，首先得建立行走機(jī)構(gòu)的三維幾何模型。行走機(jī)構(gòu)三維模型的建立主要包括各個(gè)零部件的實(shí)體造型以及整機(jī)的虛擬裝配。實(shí)體造型技術(shù)(solid modeling)是計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域中建立3d實(shí)體模型的關(guān)鍵技術(shù)。計(jì)算機(jī)實(shí)體造型進(jìn)行虛擬制造，是借助電子計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的真實(shí)系統(tǒng)和狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字模擬，具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能。實(shí)體造型技術(shù)是指描述幾

25、何模型的形狀和屬性的信息并存于計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)生成具有真實(shí)感的可視的三維圖形的技術(shù)。目前常用的實(shí)體表示方法主要有：邊界表示法(brep)、構(gòu)造實(shí)體幾何法(csg)和掃描法。借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬制造，具有以下優(yōu)點(diǎn)：將新產(chǎn)品維修和維護(hù)的方法直觀地演示給觀眾，使觀眾更容易理解，以便能準(zhǔn)確操作；很多復(fù)雜的設(shè)備，由于在其設(shè)計(jì)階段，其工作過程中的狀態(tài)無法具體化，采用三維抽象模擬，就可以解決此類問題，大大節(jié)省了成本和時(shí)間，讓設(shè)計(jì)者能輕易地理解運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)品的實(shí)際情況，改進(jìn)設(shè)計(jì)；大型設(shè)備的運(yùn)送、現(xiàn)場(chǎng)安裝、安裝過程、現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)景，特別是一些特殊場(chǎng)景，無法以傳統(tǒng)的拍攝模式將設(shè)備信息展現(xiàn)給觀眾，而采用三維模擬，可以

26、將這些難以表達(dá)清楚的場(chǎng)景和過程，一一列舉，清晰準(zhǔn)確。 本章將以第二章完成的設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的正確性和有效性。3.2 solidworks三維建模方法幾何建模采用自下而上的建模方法，即根據(jù)各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸建立零件的三維幾何模型，然后再按照零件之間的配合與約束關(guān)系進(jìn)行裝配，完成整機(jī)的虛擬裝配。solidworks零部件的建模過程為：首先選取合適的基準(zhǔn)面，建立各零部件的平面草圖；其次利用拉伸、特征掃描、旋轉(zhuǎn)、切除、放樣等命令完成零件的基本特征的造型；然后利用倒角、圓角等命令完成局部的造型，最后完成整個(gè)零件的建模，如圖1所示為solidworks零件

27、三維建模的常用命令。圖1 solidworks基本建模命令solidworks提供了強(qiáng)大的裝配功能，如圖2所示為solidworks常用的基本裝配命令，其優(yōu)點(diǎn)為：在裝配體環(huán)境下，可以方便地設(shè)計(jì)及修改零部件；可以動(dòng)態(tài)觀察整個(gè)裝配體中的所有運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查及間隙檢測(cè)；可以通過鏡像、陣列零部件，設(shè)計(jì)創(chuàng)建出新的零部件及裝配體。在行走機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的裝配過程中，首先插的零部件會(huì)自動(dòng)定義為固定靜止的部件，然后依次插入各零部件，通過一系列的配合約束關(guān)系，裝配成整機(jī)。裝配前，應(yīng)該認(rèn)真分析各零件、部件在部件、整機(jī)中的位置、作用、以及相關(guān)的裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以保證裝配運(yùn)動(dòng)的靈活性、不干涉性。

28、圖2 solidworks常用的裝配命令 下面通過介紹裝配過程， 說明在solidworks中的裝配體生成方法：打開新建裝配體命令，即進(jìn)入生成裝配體的界面；在裝配體界面中，點(diǎn)擊“插入零部件”命令，如圖3所示，排列各零部件，順序按照從上到下排列。注意插入的零部件應(yīng)該集中在一個(gè)區(qū)域，不要過于分散，以便于下一步裝配步驟；裝配時(shí)，將所有的零部件通過“重合”、“平行”、“垂直”、“距離”、“同軸心” 等配合約束裝配起來。裝配好具有對(duì)稱特征的一邊零部件后，運(yùn)用圓周陣列特征命令，裝配零件。裝配時(shí)，要運(yùn)用“移動(dòng)零部件”、“旋轉(zhuǎn)零部件” 將零件拖動(dòng)到便于配合的合適位置。裝配時(shí)應(yīng)該注意做干涉檢查，消除裝配干涉，最

29、后裝配成虛擬樣機(jī)。本節(jié)針對(duì)行走機(jī)構(gòu)主要零件分別進(jìn)行幾何建模與整機(jī)虛擬裝配，這是實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)動(dòng)畫仿真的關(guān)鍵。圖3 插入零部件對(duì)話框3.3 行走機(jī)構(gòu)零部件建模3.3.1 鉸鏈的建模按上述建模方法，對(duì)鉸鏈進(jìn)行建模。鉸鏈的三維線框圖如圖4所示，三維實(shí)體圖如圖5所示。圖4 鉸鏈的三維線框圖圖5 鉸鏈的三維實(shí)體圖3.3.2 行走機(jī)構(gòu)末端的建模按上述建模方法，對(duì)鉸行走機(jī)構(gòu)末端進(jìn)行建模。末端的三維實(shí)體圖如圖6所示，末端三維線框圖如圖7所示。圖6 末端的三維實(shí)體圖圖7 末端的三維線框圖3.3.3 桿的建模按上述建模方法，對(duì)桿進(jìn)行建模。桿的三維實(shí)體圖如圖8所示，桿的三維線框圖如圖9所示。圖8 桿的三維實(shí)體建模圖9

30、 桿的三維線框圖3.4 行走機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的裝配3.4.1 行走機(jī)構(gòu)單支鏈的裝配按前述裝配方法，對(duì)行走機(jī)構(gòu)支鏈進(jìn)行裝配。支鏈的三維實(shí)體圖如圖8所示。圖8 行走機(jī)構(gòu)單支鏈裝配3.4.2 行走機(jī)構(gòu)整體裝配按前述裝配方法，對(duì)行走機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行裝配。整體機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體圖如圖9所示。圖9 行走機(jī)構(gòu)整體裝配3.5 行走機(jī)構(gòu)零件和裝配工程圖三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為二維圖形時(shí)大部分是基于工程圖模板的，工程圖模板的好壞直接決定了后續(xù)工作的工作量。solidworks 軟件中的工程圖在參數(shù)驅(qū)動(dòng)后，工程圖的視圖、標(biāo)注等隨模型變化，這是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、數(shù)字化的基礎(chǔ)；但是模型中的零/部件配置改變或零/部件被替換之后，這些零/部件反

31、映在工程圖中的線(點(diǎn)) 的 identity( id) 發(fā)生變化，尺寸標(biāo)注及注解找不到原來的依附線(點(diǎn)) ，就會(huì)造成尺寸標(biāo)注及注解的漂移甚至報(bào)錯(cuò)，所以解決問題的關(guān)鍵在于保證尺寸標(biāo)注及注解依附線( 點(diǎn)) 的 id 不變。視圖比例的調(diào)整主要依據(jù)視圖包絡(luò)線對(duì)角線長度的變化，視圖包絡(luò)線又叫視圖邊界，當(dāng)指針經(jīng)過工程視圖的邊界時(shí)，視圖邊界被高亮顯示。邊界根據(jù)默認(rèn)緊密套合在視圖周圍; solidworks 賦予其大小，不可更改。如果添加草圖實(shí)體到工程圖視圖，邊界將自動(dòng)調(diào)整大小以包括這些項(xiàng)目。裝配草圖是數(shù)字化設(shè)計(jì)常用的技術(shù)，參數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，裝配草圖在控制零/部件的尺寸和裝配關(guān)系的同時(shí)，自身的線(點(diǎn))的 id 在參

32、數(shù)驅(qū)動(dòng)前后保持不變，是尺寸標(biāo)注及注解依附線(點(diǎn))的理想選擇，但是裝配草圖中的點(diǎn)和線與工程圖尺寸標(biāo)注及注解需要的依附線(點(diǎn))在數(shù)量和位置上有一定的區(qū)別，需要另外增加輔助線(點(diǎn))，以便為工程圖中的尺寸標(biāo)注及注解提供足夠的依附線(點(diǎn))。這種基于增加輔助線(點(diǎn))裝配草圖的工程圖模板在參數(shù)驅(qū)動(dòng)后，由于尺寸標(biāo)注及注解依附線(點(diǎn)) 的id沒有發(fā)生變化，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的尺寸漂移以及報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象，但是此類工程圖模板在參數(shù)化驅(qū)動(dòng)后仍存在以下問題: 1)視圖比例失調(diào); 2)視圖位置漂移，甚至重疊；3) 尺寸標(biāo)注、序號(hào)線漂移；4)尺寸精度未按實(shí)際尺寸顯示; 5)在轉(zhuǎn)化為dwg 格式的圖形后，線形比例不符合要求。下文以鉸鏈為

33、例，繪制零件的工程圖。3.5.1 鉸鏈的工程圖如圖10所示，在繪制鉸鏈三維實(shí)體圖的基礎(chǔ)上繪制鉸鏈的二位工程圖，為實(shí)際加工提供圖紙。圖10 鉸鏈的二維工程圖3.5.2 行走機(jī)構(gòu)整體裝配圖如圖11所示，為行走機(jī)構(gòu)整體裝配圖和明細(xì)表。圖11 行走機(jī)構(gòu)整體裝配圖和明細(xì)表第四章 行走機(jī)構(gòu)裝配動(dòng)畫仿真和運(yùn)動(dòng)仿真4.1 基于solidworks cosmosmotion動(dòng)畫和運(yùn)動(dòng)仿真概述傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)僅僅注重產(chǎn)品的前期功能性設(shè)計(jì)，例如結(jié)構(gòu)、功能、成本等，這些依靠常用的cad 軟件即可完成，后期驗(yàn)證產(chǎn)品功能時(shí)，可使用cae 軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證。 在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的產(chǎn)品開發(fā)，除了對(duì)產(chǎn)品本身功能進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需

34、注意采用多種多樣的形式進(jìn)行產(chǎn)品的后續(xù)宣傳和形象傳遞，如海報(bào)、說明書、產(chǎn)品的仿真動(dòng)畫等，特別是如何使機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)運(yùn)作符合其實(shí)際的工作規(guī)律，并且把這種視像記錄下來，這一技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)過程中正占據(jù)著越來越重要的地位。機(jī)械產(chǎn)品的三維仿真動(dòng)畫在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、加工制造和產(chǎn)品營銷中都具有現(xiàn)實(shí)意義。不同客戶對(duì)同一產(chǎn)品的要求有時(shí)會(huì)不一樣，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要反復(fù)修改實(shí)物樣品或制造多個(gè)實(shí)物樣品，周期長，費(fèi)用高，動(dòng)態(tài)仿真可以根據(jù)客戶的修改意見把產(chǎn)品逼真、直觀地模擬演示出來，得到客戶確認(rèn)后再實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)。在加工制造環(huán)節(jié)中，動(dòng)態(tài)仿真可以進(jìn)行直觀的全方位動(dòng)態(tài)視頻演示。因此，制作機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)畫仿真不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成

35、本，同時(shí)也增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力以及與客戶的親和力，方便產(chǎn)品推廣和技術(shù)交流。機(jī)械產(chǎn)品零部件的三維實(shí)體建模與裝配是實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫仿真的基礎(chǔ)和前提。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)而言，單純的零件沒有實(shí)際意義，必須裝配成完整部件或機(jī)器實(shí)體。裝配不僅是表達(dá)零件之間的配合關(guān)系，也是運(yùn)動(dòng)分析、干涉檢查和實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的基礎(chǔ)。裝配的方法是將準(zhǔn)備好的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加零件之間的配合關(guān)系。在solidworks中系統(tǒng)默認(rèn)第一個(gè)插入的零件是固定的，以作為其它零件裝配的基礎(chǔ)和參考，因此必須仔細(xì)考慮第一個(gè)零件的插入，一般選擇產(chǎn)品的支架、底座等主要零件作為第一零件。目前可以完成機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)態(tài)仿真的三維軟件很多，比較常用的有solidwor

36、ks、pro/e、ug、matlab等。性價(jià)比較高，設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單方便的莫過于solidworks了。solidworks是在windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的一款功能強(qiáng)大的中高端三維cad軟件，具有超動(dòng)感的用戶操作界面和獨(dú)到的特征管理樹，智能化的裝配功能和動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)模擬等特色，而且操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用。solidworks軟件還集成了很多應(yīng)用插件，如圖1所示，啟用cosmosmotion插件，秉承solidworks一貫的簡(jiǎn)便易用的風(fēng)格，可以很方便的生成形象逼真的機(jī)械產(chǎn)品演示畫，讓原先呆板的設(shè)計(jì)成品動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能展示。cosmosmotion插件集成于solidworks軟件中，并且與solid

37、works軟件實(shí)現(xiàn)無縫連接。cosmos motion插件是一個(gè)較強(qiáng)大的裝配分析與仿真模塊，通過它進(jìn)行行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫仿真時(shí)，能夠精確地得到行走機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件的速度、位移、是否干涉等運(yùn)動(dòng)情況。圖1 插件對(duì)話框solidworks軟件通過生成裝配體的爆炸視圖實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品拆裝的動(dòng)態(tài)仿真。建立爆炸視圖有自動(dòng)爆炸和手動(dòng)爆炸兩種方式。自動(dòng)爆炸可以自動(dòng)分解零部件，但要受裝配順序的影響。為了準(zhǔn)確展現(xiàn)產(chǎn)品的拆裝關(guān)系，可以采用手動(dòng)爆炸方式，合理靈活地選擇零件的爆炸順序、爆炸方向和爆炸距離。方法如下：?jiǎn)螕糁鞑藛沃械?插入/爆炸視命令，打開/爆炸屬性管理器，如圖2所示。在裝配體上單擊要爆炸的零件，此時(shí)裝配體中被選中的零件以高亮顯示，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)設(shè)置移動(dòng)方