【《基于正交關(guān)節(jié)的蛇形機器人攀爬運動仿真研究》12000字】

我們將多個具有相同關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的模塊所串聯(lián)起來的機器人稱之為蛇形機器中文摘要及關(guān)鍵詞 英文摘要及關(guān)鍵詞 Ⅱ- 1.1課題研究的背景及意義 1.2仿生機器蛇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 4- 4- 1.4本文的研究內(nèi)容 9-2管道攀爬蛇形機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1仿生機器蛇運動模型 2.1.1仿生機器蛇的側(cè)向運動模型 2.1.2仿生機器蛇的蠕動運動模型 2.2仿生機器蛇的步態(tài)研究 2.2.1仿生機器蛇的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.2.2仿生機器蛇的步態(tài)研究 2.2.2仿生機器蛇的步態(tài)與位移分析 2.2.3仿生機器蛇各連桿間的相對角位移 2.2.4仿生機器蛇設(shè)計 3ADAMS仿真分析 3.2仿生機器蛇的ADAMS仿真流程 3.3仿生機器蛇的ADAMS仿真模型參數(shù) 3.4仿生機器蛇的ADAMS仿真結(jié)果分析與驗證 21-3.5本章小結(jié) 4總結(jié) 4.1結(jié)論 4.2展望 1緒論1.1課題研究的背景及意義而我們在仿生機器學(xué)中我們進行探究生物蛇而產(chǎn)生的仿生機器蛇也開始具進行探究敵人內(nèi)部偵察情況5。不僅可以適用于城市，在叢林，沙漠甚至海洋中1.2仿生機器蛇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展仿真機器蛇是一種新型的仿生類機器人，它和傳統(tǒng)的之稱是機器人是不同本東京大學(xué)的Hirose教授團隊在1972年便研究出來一種蛇類仿生機器人，這款有自己的獨立的滾動輪，在這般的環(huán)境下這可以讓機器人在運動時保證曲線運(a)ACMⅢ樣機(b)A圖1-1代號為“ACMⅢ”仿生機器蛇如圖2中a所示，這個采用的是一橫一豎的仿生蛇的結(jié)構(gòu)。把他叫做正交鏈圖1-2代號為“ACM-R3”的仿生機器蛇模型ACM-R4是ACM-R3的一種升級的版本，它是通過改變仿生機器人的外殼的質(zhì)地以及增加了一些防水的功能，如下圖所示，但是ACM-R5,仍然采用了圖1.3代號為ACM-R4的仿生機器蛇模型UM的OmniTread機器人是在04~05年完成的，他的這種設(shè)計經(jīng)常被用于很個關(guān)節(jié)的動作指令。OmniTread可以在障礙物上進行自由攀爬(趙麗娜，陳東行等，OmniTread的不同點是能夠在表面覆蓋80%的帶輪，因為這樣OmniTread圖1-4代號為MniTread的仿生機器蛇CMU的生物機器人技術(shù)實驗室的生物機器人的實驗是在這幾年開始做的，樣機是根據(jù)上面所說的正交連接進行組裝的，它不僅具有正交連接的方式所具備的運動狀態(tài)，并且實驗室還針對仿真蛇的攀爬動作做了很多研究。他把仿真機器的樣機進行了升級，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向的攀爬運動，它的運動原理是把的身體變成一種支架，通過滾動運動狀態(tài)來達到螺旋式運動(成欣悅，許昊羽，2019)?？梢赃_到在豎直方向管道之間進行上下攀登。圖1-5代號M3的仿生機器蛇二維空間中進行運動是目前所有仿生機器人的最基本的一些功能，下面說一個三維空間的例子。在1996年，一個人研究的第一代機器人可以在平面上爬。對于很小很小的障礙物，它可以進行翻越，之后為了更好地提高仿生機器人的能力，在一的基礎(chǔ)上開始制作，產(chǎn)生的第二臺機械蛇，具有一定的三維運動能力，他可以把部分軀體進行抬動(許珂倩，鄧俊羽，2022)。在這等情況下機器蛇主要通過萬向節(jié)組成的7。一個萬向節(jié)讓三個獨立的電機控制著方向，里面又有四個傳感器。還有用于協(xié)度和角度傳感器。在蛇的頭部要將上一個攝像機進行監(jiān)測，傳輸?shù)奖O(jiān)視屏上。尾部放的是一個能換的電池，它可以持續(xù)30分鐘工作(楊澤羽，林心怡，2019)。圖1-6Orochi的樣機及其萬向節(jié)結(jié)構(gòu)我國在仿生蛇方面進步很快，比如上1999年上海制作出了我國第一臺微小型仿生機器蛇的。實驗樣件如下所示圖1-7上海制作的仿生機器蛇圖片圖1-8國防科技大學(xué)制作仿生機器蛇在01年的時候，我國國防科大也進行了研究工作。生產(chǎn)出了一款仿生機器蛇，如圖1-8,在國內(nèi)外媒體也有很多報道，這個機器蛇是有17個節(jié)組成，總長是1~2m,直徑在0.06m它的重量在1.8kg,機器人可以進行前進，后退，加速的多種運動狀態(tài)。他的速度可以再每分鐘20m左右，從這些動作可以意識到他采他們最早在01年開始對仿生機器蛇進行研究，在之后的3年里，完成了這個項目的驗收，所產(chǎn)出的機器蛇的長度是1.5m的長度，質(zhì)量在6斤左右，依據(jù)此理論框架進行全面分析可獲知結(jié)果機器蛇的關(guān)節(jié)在16個，在全速運動的時候可以于這個機器人的相關(guān)專利論文達到了16篇，是我國在仿生機器蛇研究上面的一1.3蛇的運動方式種運動方式是側(cè)向運動，這是目前自然界中蛇的常用的爬行方式，如下圖1-9所形態(tài)如1-10所示，這在一定水平上揭示它是把蛇的部分進行保持靜止，而另一動狀態(tài)往往是在一些特定的情況下進行，比如說在一些很小的管道(孫佳琪，陳月所示，就是在目前蛇的運動方式中最具有爭議性的一種運動方式，在蛇的運動過程中常在沙地或者一些比較粗糙的環(huán)境中會使用這種運動方式。那種方式的效率在沙地或者是摩擦系數(shù)高的情況下會高于側(cè)向運動。圖1-9蛇的側(cè)向運動圖1-10蛇的蠕動運動圖1-11蛇的側(cè)向盤旋運動1.4本文的研究內(nèi)容仿生機器人的研究中，仿真機器蛇是一種很熱門的分支，目前已經(jīng)有數(shù)十臺仿真的實驗樣機的出現(xiàn)，這些樣機能完成二維的運動，有些甚至可以進行抬頭抬及翻閱等簡單的三維運動能力(朱曉瑞、鄧景忠、鐘昊羽些仿生機器蛇的樣件，它們的功能更具有針對性以及多樣化。在這般的環(huán)境下他們的運動結(jié)構(gòu)以及形狀與之前的設(shè)計有很大的區(qū)別，就是這些新的設(shè)計使他們具有了更為靈活的三維能力，更加適用于目前應(yīng)用市場和也為他們的發(fā)展方向開闊在本文的設(shè)計過程中，仿真機器蛇的研究主要是進行螺旋攀爬運動的研究。在之前的仿真機器蛇的樣機上，分析設(shè)計出一款更適用于攀爬運動狀態(tài)的機械形狀結(jié)構(gòu)。機器人可以通過纏繞在攀爬對象的外表面進行上下的攀登，它有一定剛性，能把部分蛇體抬起，在這種環(huán)境下采用的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)10萬向節(jié)(孔祥瑞，鄧雅琪，2017)。一個萬向節(jié)是讓三個電機進行控制。我們是否能夠進行攀登，和我們的機器人的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分相關(guān)的。他不僅要求我們的機器人具有靈活的三維運動能力，也要求我們在攀附對象上不滑落，從而實現(xiàn)攀爬功能，還要識別目前地面上的環(huán)境特點，采用不同的運動狀態(tài)是攀巖還是翻滾等(趙玉倩，陳俊單元具有兩種自由度，能夠很好地實現(xiàn)動力足的輸出8。從而實現(xiàn)攀爬的功能。2管道攀爬蛇形機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1仿生機器蛇運動模型X圖2-1側(cè)向運動仿生機器蛇空間運動模型向。在機器人的法線方向我們可以作為x方向。這在某種程度上指出我們定義2種運動，一種是沿著x軸線的俯仰運動狀態(tài)，還有一種是繞z軸的側(cè)向運動。他下我們可以把這種曲線運動轉(zhuǎn)換為波的運動合成，從而進行推導(dǎo)出我們的運動在這等條件下式子中的、是我們2種運動狀態(tài)的初始狀態(tài)的控制彎角，是表示我們在運動中的模塊數(shù)量，將不同平面中的波的相位差表示為,把機體的長度設(shè)為L,I是機器蛇的單獨模塊的長度，kn是我們傳播波的數(shù)量，i代表是我們不同關(guān)節(jié)的初始角度，其中s是仿生機器蛇的虛擬位移量，曲率偏差是我們的k1,在這等情況下我們可以通過改變k1,來修改機器蛇的運動方向，如果確保研究框架的合理性與可靠性。數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)采用多種被理論證實有效的方圖2-2仿生機器蛇的行波傳遞圖2.2仿生機器蛇的步態(tài)研究本文設(shè)計的一種的仿生機器蛇是有7個關(guān)節(jié)以及6個連杠構(gòu)成的，我們對他我們對機器人的設(shè)計進行參數(shù)設(shè)計：把桿件的長度設(shè)定為a,他的質(zhì)量設(shè)置為m,進行初步模擬時候，從這些動作可以意識到我們使用的是7個關(guān)節(jié)進行設(shè)首先研究的是三動桿的運動步態(tài)，做模擬的運動圖解如圖2-3。圖2-3蛇形三動桿的步態(tài)分析我們在進行設(shè)計的時候，從這些言語中可以看出一些態(tài)度我們先將p0點進行前進，沿著X的方向，這時候其他的點保持不變，在這時候件的pOp1和x軸的夾角有開始的0變化到我們的設(shè)定的角度0,在初始狀態(tài)的情況下，plp0以及plp2進行運動，這種運動狀態(tài)下，會與x軸之間形成也給等腰三角形的形狀，在這種狀態(tài)結(jié)束后，三角形的底部角變?yōu)閍0,(圖2-3中的階段變?yōu)?度，在這個時候p2p3與夾角會從β會由0度變?yōu)槲覀冊O(shè)定的角度(圖2-3最后點P5將會成為三角形的頂點(如圖2-3中的階段f),夾角α從0變?yōu)?°,整個系統(tǒng)變成直線狀態(tài)g(如圖2-3中的階段g)一個運動周期，在這種環(huán)境下整個系統(tǒng)通過X軸的位移L等于點PO從狀態(tài)a到狀態(tài)b的位移。本部分的創(chuàng)作參考了何其飛教授的相關(guān)研下圖2-4可以看出，我們在波形傳遞過程中，動點是我們的pi與Pi+1(1<Pi+1Pi+2進行簡化為一種連桿結(jié)構(gòu)，如下圖所示，Pi是保持不變的，這無疑揭示了可以表示為d=a+cosa?,也就是說我們可以把這個過程變化為四個階段進行，如下圖2-4所示，開始的位置就是我們圖中的2-3的圖2-4三桿件的運動的四個狀態(tài)圖2-5三桿件的矢量四邊形其在X、Y軸上分解得：解出：又由公式(2-4)可以解得：E=2a2cosa?-2ad=2a2cosβ?-2adG=a2+d2-2adcosα?=a2+d2-2adcosβ?我們可以通過2-8、式2-9和式2-10這幾個式子可以把連桿的各個角度進行表示，這在某種程度上指出這可以為我們研究角度進行參考分析(錢奇遠，黃夢琪，2021)。本文在研究思路上富有創(chuàng)意，巧妙地將前人有關(guān)此主題的研究成果納入其中，令研究的深度有了明顯加深。通過對所有文獻的規(guī)范梳理與整合，努力挖掘該領(lǐng)域一直未被充分關(guān)注的關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及潛在的研究趨向。不僅對現(xiàn)存理論進行了更為細致的推敲，還基于此形成了獨特的研究視角與分析方法。在具體的研究操作中，采用先進的研究方法與技術(shù)手段，對該主題進行多維度、全方位的審視。突破了傳統(tǒng)研究的禁錮，從微觀視角揭示了事物的內(nèi)在原理和關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時借鑒其他相關(guān)領(lǐng)域的理論與實踐經(jīng)驗，為解決該主題的問題提供了更豐富多樣的思路。2.2.3仿生機器蛇各連桿間的相對角位移我們根據(jù)圖2-5可以知道Pi+1Pi+2相對Pi+2Pi+3的的轉(zhuǎn)角為P1,則連桿的相對轉(zhuǎn)角都可以用這個角度來表示。在這等條件下那么我們根據(jù)他的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出他的一個角速度關(guān)系(付德華，徐君萱，2022)。必然是我們根據(jù)下圖是2-10所表示可以得出。他們的轉(zhuǎn)角關(guān)系可以由上面的角度來表示，在這等情況下根據(jù)角度的一個旋轉(zhuǎn)關(guān)系。來推出仿生設(shè)計的一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)2.2.4仿生機器蛇設(shè)計根據(jù)前文推導(dǎo)的仿生機械蛇的一個旋轉(zhuǎn)函數(shù)關(guān)系式。只要是關(guān)于轉(zhuǎn)角的一個函數(shù)，那么其他的連桿由于是剛性的一個部件，那么我們可以通過一個旋轉(zhuǎn)的鉸鏈進行相連接。這樣子可以進行連帶的作用，是他們一起轉(zhuǎn)動整個機器人的。設(shè)過程一：桿0-1沿著右端點2處旋轉(zhuǎn)副做向X軸正方向的順時針旋轉(zhuǎn)，點1不固定在地面上，這在一定水平上揭示其他點均施加大的摩擦力固定在地面上，旋轉(zhuǎn)到桿1-2與X軸負方向成60°時停止轉(zhuǎn)動，運動的過程中點0設(shè)置為高副滑動。(如圖2-6)圖2-6過程一：步態(tài)設(shè)計圖從這些動作可以意識到由于在開始設(shè)計機器人的步態(tài)過程中，我們需要對加速度以及速度進行忽略。所以我們只要對端點一的轉(zhuǎn)動角度已經(jīng)時間進行函數(shù)建模，建立一個變化的階躍函數(shù)，它們的函數(shù)表達式，我們可以表達為(付俊天，成y為端點1角度變化(度),x為時間(秒):式2-11中的后兩式，在過程二中進行介紹，前三個過程為一個緩慢的階躍過程，此過程后，依據(jù)此理論框架進行全面分析可獲知結(jié)果端點1處的P2轉(zhuǎn)動除點1、點2外其他點均處于施加大摩擦力固定在地面上，此時桿2-3沿著右端點3處旋轉(zhuǎn)副做像X軸的正方向的順時針旋轉(zhuǎn)60°。(如圖2-7)圖2-7過程二：步態(tài)設(shè)計圖在過程二中，我們就要需要對端點二的角度進行設(shè)計，函數(shù)通過旋轉(zhuǎn)端點2的角度，,其他的剛性桿跟隨之進行運動。在這種運動過程中，端點一的運動在候角度是轉(zhuǎn)動180度，所以在端點一的函數(shù)需要加上2-11后面的幾個式子，這y為端點2角度變化(度),x為時間(秒):我們需要進行說明的是，在4秒之前，端點2是獨立的，它不受到函數(shù)的控制，只有在4到最后連桿4-5沿著左邊端點4向X軸正方向做順時針旋轉(zhuǎn)，最后端點6做與地面接觸的高副運動。(如圖2-8)圖2-8過程三：步態(tài)設(shè)計圖當(dāng)波形運動到最后一個端點5時，端點5的運動開始時間為20s,則此端點的轉(zhuǎn)動角度函數(shù)。y為端點5角度變化(度),x為時間(秒):最后仿生機器蛇的端點全部位于x軸上，仿生保研究假設(shè)的合理性以及邏輯的一致性。通過全面梳理和細致對比分析相關(guān)文3ADAMS仿真分析ADAMS軟件是通過計算多體系動力學(xué)是為基礎(chǔ)的，它有多個模塊，其中有是可以用這兩個模塊構(gòu)成的。另外在這個軟件中，他還針對其他的領(lǐng)域開發(fā)出了一些專業(yè)應(yīng)用和嵌入模塊，比如說我們占用的汽車，發(fā)動機，火車以及飛機等模塊，它都是可以產(chǎn)生應(yīng)用的，并且在液壓，柔性控制等模塊它也有相映的應(yīng)用。下面是我們所示的一些模型圖(孫羽航，陳晴雯，2023)。圖3-2仿真工具欄3.2仿生機器蛇的ADAMS仿真流程圖3-3仿生機器蛇ADAMS仿真流程圖3.3仿生機器蛇的ADAMS仿真模型參數(shù)根據(jù)上文研究的蛇形數(shù)學(xué)模型，ADAMS建立仿生機器蛇的系統(tǒng)模型。(如圖3-4與圖3-5)(a)蛇形機器人仿真時正視圖(b)蛇形機器人設(shè)計時側(cè)視圖圖3-4系統(tǒng)模型側(cè)視圖(a)蛇形機器人仿真時正視圖圖3-5系統(tǒng)模型正視圖3.4仿生機器蛇的ADAMS仿真結(jié)果分析與驗證(1)過程一：圖3-8仿生機器蛇運動過程一下，端點的運動狀態(tài)會由0到60以及-120度之間進行變化，我們可以把端點一運行過程一后，從ADAMS中導(dǎo)出端點1的轉(zhuǎn)角函數(shù)如圖3-9(2)過程二：圖3-9仿生機器蛇運動過程二運動過程二中，端點2的運動軌跡與一中相同，只是向右平移了幾個單位，這是由于端點運動的時間先后，對于端點2的設(shè)計函數(shù)表達式為：運行過程一后，從ADAMS中導(dǎo)出端點1的轉(zhuǎn)角函數(shù)如圖3-10Time:14.034Cur-1250.07.5(a)機器蛇最后一個關(guān)節(jié)進行運動圖3-11仿生機器蛇運動過程三是最后他還是會到旋轉(zhuǎn)角度的零度這邊。他得到的函數(shù)曲線跟之前的是不一樣運行過程三后，在這等情況下從運行過程三后，在這等情況下從ADAMS中導(dǎo)出端點5的轉(zhuǎn)角函數(shù)如圖3-12前進距離為：L=2a(1-cosa?)(a為連桿長度)(2-2)3.5本章小結(jié)4.1結(jié)論4.2展望本文提出的機器人模型在運動狀態(tài)步態(tài)分析中還有