两栖机器人结构设计及运动学建模

60 2010，46(10) cD唧姚r西画册e^昭∞dApp如m幻邶计算机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与应用 两栖机器人结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及运动学建模 张万绪，张建斌，张远 ZHANGWan—xu，ZHANGJian—bin，ZHANGYuan 西北大学信息科学与技术学院，西安710127 Sch∞IofInfo聊ationScienceandT如hnology，NonhwestUnjve画t)r，)【i’粕710127，China E—mail：zllan996188@126．com ZInNGWan一舶。ZI队NGJian—bin。ZHANGY岫n．Stmctu№d髂i驴ofampmio璐robotandI【i眦啪ti岱modeUⅡg． ComputerEngin∞血gandAppⅡ∞饰啷，2010，46(10)：60—63． Abstract：There8earchonamphibiousbionicrobotisarisinghotspotcurrently，it’s锄importantbranch0fmilitarymbots．This paperputsforwarddesi印ideaof砌phibiou8mbot，iden陇esanumberofkeypa船mete玛，such够electricaI，travellingmech粕i锄 agencies，锄d∞tablisheskinematic8modelofamphibiousrobot，validate8correc协e黯ofroboticmovementbysimulation． 1【eyword：砌phibiousmbot8；kinematics；∞lid8imulation 摘要：两栖仿生机器人的研究是当前新兴的一个热点，它是军用机器人研究的一个重要分支。提出一种两栖仿生机器人的设计思 路，确定了一些关键参数，如电机、游动机构等。并对两栖机器人仿鱼游动的运动学进行建模，最终通过实体仿真验证方案的可行性。 关键词：两栖机器人；运动学；实体仿真 DoI：10．3778／j．i8sn．1002—8331．2010．10．020文章编号：1002—8331(20lO)lO一0060一04文献标识码：A 中图分类号：卯24 1引言 机构在两栖机器人设计中占有重要的位置，是整个机器人 构成中—个不可缺少的部分，它与机器人设计有着不可分割的 内在联系，与构成机器人的各种要素有着千丝万缕的关系，直 接影响到产品没计中的功能、形态等最基本的要著n。功能上， 机构除了直接为满足和达到产品的基本功能外，对改善和扩展 产品功能起到直接作用。最常用的机构为平面连杆机构、凸轮 机构和间歇运动机构三种。平面连杆机构中最为常用的是由4 根杆组成的平面四杆机构，它亦是最基本的平面连杆机构。铰 链四杆机构有三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇 杆机构。除基本形式的铰链平面机构外，还有由此演化而成的 其他形式的平面四杆机构——曲柄滑块机构、导杆机构、摇块 机构和定块机构。形态上由于机构是由各种构件组成的，『fif构 件的组合形式必然会影响到产品的基本结构，从而最终影响到 机器人的外部形态。机构除了对产品的功能、形态有着直接的 影响外，对产品的一些其他因素也有着不可分割的内在联系。 通常机械功能要依靠一定的机构在一定的能量转化状态中才 能得以实现。因此不同的能源使用将涉及到不同的机构形式， 并随之影响到机器人的有关诸如生产成本，使用成本、环境效 果等方面的因素，机构本身设计的合理与否也将影响到机器人 的操作性能、安全性能及使用寿命日。 水陆两栖仿生机器人是以大壁虎和鱼类运动方式为原型， 以机器人为实现 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，实现爬行方式和游动方式的仿生。因此 仿生机器人必须要满足运动方式仿生。为了使机器人从理论到 实现，在机器人的设计过程中必须要兼顾功能仿生与可实现 性，因此在机器人的设汁过程中，必须考虑两个方面的要求与 约束：(1)功能仿生；(2)元器件的可实现性。 同时，为了使机器人具备更高应用价值和科研意义，在机 器人的设计与实现中还要考虑以下几个方面的性能指标：(1) 研制成本、复杂度；(2)控制系统的易实现性和控制方法的可试 验性；(3)性能指标，包括爬行速度、游动速度、转弯半径等。 根据以上设计原则和设计要求，仿生机器人的设计思路如 图1所示。设计阶段主要分为4个步骤：(1)理论模型；(2)模型 仿真与仿真实验；(3)参数优化与 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 修改；(4)机器人实 际模型。 2两柄机器人关键参数的确定 2．1 电机的选择与扭矩估算 2．1．1电机的选择 仿生机器人采用FuTABA公司的s9451和S3003舵机， 电机的外形尺寸如图2所示。S9451舵机用于驱动爬行机构的 四肢，S3003舵机主要用于驱动身体摆动。电机转动范围oo一 1800，能满足爬行和游动的需要。 FuTuBA电机的接线法则如图3所示。 2．1．2s9451电机月乏受扭矩的估算 因为lkg·cm=0．Olkg·m=o．098N·m，据估所用计机器人 重量为m=1．25kg，重心距着地脚的距离为L=110mm，则每条 腿承受的重量为G=玎舭=1．25x9．8／2．6．125N，每个舵机承受的 作者简介：张万绪(1964一)，男．副教授，硕士生导师，研究方向：智能控制与测试；张建斌(1984一)，男，硕士，研究方向：机器人导航控制；张远，男． 助教．研究方向：嵌入式系统、FPGA设计。 收稿日期：2008—1l—17修四日期：2009—02一18 万方数据 张万绪，张建斌，张远：两栖机器人结构设计及运动学建模 2010，46(10)6l 大壁虎形体机构与爬行特征 鱼类形体结构与游动特征 ．1 大壁虎真鱼 [梦画至重口! 两栖机器人(实体模型) 图l仿生机器人的设计思路图 图2 s9451和S3003电机外形及尺·r图 表1 S945l和S3003相关参数 ／ ＼ ／ 、 长工 图4尾部近似平板 速度皓yma】【=2r肌，动力粘性系数声1．003×1铲m2／8(20℃)， ．‘．R。=UC一=2×O．08／1．003×10—6≈1．6×l舻 又‘．·￡，c=0．875．·．取阻力系数G=o．214阁 ，≥lC囊O．5>妒×￡严×￡×l[’．：0．214×0．5×looO×4x0．08×O．07= 2．3968(N) 尾部第—个电机和最尾端电机之问的长度约为：三l_160舢， 则关节电机所承受的扭矩为： 肘=只×￡l=2．3968×0．16=o．3835(N·m)= 3．91(kg·cm)<4．1(kg·cm) 所以，s3003电机扭矩满足要求。 2．2游动机构关键参数的选择 2．2．1关键设计参数 系统的输入量有： (1)与机器人结构相关的静态参数有：机器人游动关节数 n，摆动部长度占身体总长度的比例r，摆动各关节之问的长度 比例ZI：f2：⋯：厶； (2)与游动类型相关的动态参数有：身体波的波动方程式 中的各个参数cI、c2、七l、I|}2； (3)机电系统的限制参数：各关节最小长度ff劬，各关节驱 动电机的转动角度范围∞。。； (4)其他参数：周期均分数m，即—个周期内的缴胡搏砩鞫；≤数。 系统的输出量有： (1)—个周期内每个关节位置的位置坐标； (2)各位置与前一位置问的角度变化量，以供控制直流驱 动电机摆动角度用； (3)设计过程中的各种分析图表； (4)设汁结果：结构、运动、控制数据等。 2．2．2理论模礁与实际模型的转换 由鱼类的运动学模型可见，鱼类的摆动遵循一定的规律， 即大体按照后面所述的波动方程进行摆动。但波动数学模型的 特征曲线是平滑曲线，由于所设计的仿鱼推进机构是由多个僵 硬的连杆铰接组成，可用由头尾相接的线段表示，因此不能实 现这一推进机构上的所有点在摆动过程中都落在这条理论曲 线上，这样就要保证每条线段中的关键点(即端点，关节点)落 在理论曲线上。端点对理论曲线的匹配过程如图5所示。 图3 FUTABA电机接线法则 转矩为胁=G×￡=6．125×O．1l=o．67375N·m，换算出舵机应承受 的转矩为：肭．098=o．44I／0．098=6．875kg·cm，s945l舵机的输 出转矩是8．7kg·cm(6V工作环境下)，大于6．875kg·cm，故能 。 满足扭矩要求。 2．1．3S3003电机承受扭矩的估算 机器人尾部最后一关节形状特征可以近似为一平板，如图 4所示，根据要求弦长C=O．08mm，展长￡=o．07mm，假定来流 小轧热．天／ h0’问一V氛二 图5摆动部分骨架对理论曲线的呱配 万方数据 62 2010，46(10) compⅡ把rE画船e^ng∞dA即胁撕D瑚计算机工程与应用 当各关节点全部落在理论曲线上时，当前关节与前一关节 的延长线在连接处产生—个夹角也，各连杆就在驱动电机带动 下，通过改变夹角如的值来产生运动，模拟鱼类游动方式。由 于关节数目有限，整个推进机构的运动比较生硬，不能产生平 滑的过渡，这在水中游动时将产生多余的水动力学阻力，降低 其游动效率。为此在具体实现时在连杆机构上安装了支撑架， 外侧蒙上弹性的蒙皮，以增加机器人身体的柔性，使关节问的 摆动角度在弹性蒙皮上实现连续的过渡。 通过弹性蒙皮对关节摆动角度的连续过渡，得到了较为平 滑的机器人实际身体中心线，但是经过这次过渡，实际中心线 和理论中心线之间产生了偏离，如图6所示。当偏差较大时，实 际的游动将体现不出理想曲线在水动力学上的优越性。同时， 由于推进机构是由机电系统组成的多关节串联连接体，上面的 计算和没计过程都没有考虑机电系统在实际实施中的各种限 制条件，因此，要实现由理论到实际的转化，必须对推进机构的 各个参数按照机电系统实施的要求对上面的设计方案进行调 整和对设计方案进行优化。需要进行调整的有：根据机电系统 的最小实现尺寸调整机器人的关节比例fl：f2：⋯：f。；根据驱动电机 的摆动角度范围限制调节机器人身体波的波形参数c，、c：、后。、后：。 。强焉＼√，∥撤吆，＼√ ‰，实际曲线 V氘＼ ， 圈6身体波理论曲线与近似实际巾心线 2．2．3仿鱼推进机构没计参数的优化 为了最大限度地体现理想鱼体波曲线的水动力学优越性， 使实际中心线与理论中心线之问的误差尽可能小，需要对机器 人多个关节的机构尺寸进行参数优化。优化目标： 朋 Ⅱlin人x)=乞Si (1) 自 式中，x=阶f2．．．·：”，s；为理论曲线与近似实际曲线所形成的包 络区域的面积，Jlf为鱼体波分辨率。 设计约束： (1)等式约束：‰(x)：o，。=l，保证所有的关节长度总和为 一常数。 (2)不等式约束：蕺(x)≤O，“=l，2，⋯，Ⅳ，保证每关节的长 度t大予等于关节驱动电机所要求的最小关节尺寸^。，Ⅳ为 关节数。根据本问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的约束情况，存在等式约束与不等式约束， 选择混合罚函数法来进行参数优化。构造惩罚函数如下式： 咖(x，r(”)甙x)∥{∑【m腿(o，航(x))】2帆(x)】2}(2) ～f=l ’ 式中，r、”为惩罚因子，∥7}为递增序列。惩罚函数法通过构造惩 罚函数毋(x，r”’)将有约束优化问题转换为无约束优化问题， 采用坐标轮换等方法实现对无约束优化问题的求解，从而实现 对有约束l’uJ题的参数优化。 通过对关节结构尺寸的优化，可得到按照鱼体波曲线方程 ，，蛐(菇，￡)进行游动的仿生机器人相对较优的一组结构尺寸参 数。根据优化后的关节比例厶．j2”·：b，重新进行鱼体波拟合计 算，进而可确定机器人的控制参数集{也。，札，⋯，咖计胡，实现机 器人的优化设计。 2．2．4参数的确定 经过考虑防水，尺寸限制等具体问题，确定机器人其中一 组参数为：游动关节数是4，波长倍数为O．6，f。=200，j2_f3．f4．70。 。l=o．06、c2：=0．07、矗l=0．5、％2=0．1。 如图7可以观察到，曲线拟合情况良好，尾部三关节与波 形曲线几乎完全拟合，误差较小，第一关节由于长度的限制，存 在一定的波形拟合误差。同时确定离散数的情况下得到每个时 间点的关节偏转角。 图7波动曲线优化计算及曲线拟合示意图 3两柄机器人仿鱼游动运动学建模 3．1物理模哩简化 由于两栖机器人的躯干在体厚方向成对称分布，为描述两 栖机器人游动的运动学几何关系，以两栖机器人身体的体厚方 向的对称中心线作为研究对象。在远离鱼体游动区域，建立绝 对坐标系恤，y，。}，如图8所示。 图8躯干尾鳍推进方式的物理简化模礁 Ⅱ 为分析游动机理，采用仿生机器人的体干中线弧长d作为 Lagra．nf；ian坐标。设仿生机器人身体总长为f，则尾鳍末梢点Ⅱ= Z。在y=0平面上沿体干中线，任一点到体干头部端点的距离口 表示其空问位置坐标，则两柄机器人体干中线在坐标系忸，)，，：l 的运动学参数表达式如下所示： 戈=髫(n，￡)，’，=0，：≈(n，f)(0≤n≤f) (3) 由于两柄机器人在游动过程中，一般认为体长不可伸展或 压缩，所以仿生机器人的身体总长z为恒定，则： ．． ，2 ，． ，2 (兰H豢一1-l (4) 设仿生机器人体干中线上某点沿曲线的切向向量和法向 向量分别为f和甩，体干中线上各点的切向速度和法向速度分 别为比(口，f)和彬(n，t)，工(Ⅱ，￡)为体干中线某点的合速度矢量。 由图8所示，根据建立的Descanes协坐标系和岫弘ngian坐 标系的空间几何关系，有如下关系式： f a膏(8，f)a：(Ⅱ，t)＼／如(口，￡)如(n，t)1仁I了’～j_』川5r一面■’一dⅡ一J 比∥=(里警也，掣) (5) 万方数据 张万绪，张建斌，张远：两栖机器人结构设计及运动学建模 2010，46(10)63 “(口，￡)气r(口，￡)·7，钾(口，t)；#(口，f)·n “(刚)：型璺!生塑亟尘+丝!竺!盟塑业 df d口 df d口 幻(口，‘)：丝!堡，尘塑!竺!堕一丝!堡!堕丛堕堕 df d口 df d口 3．2运功学方程 (6) (7) (8) 鱼类在动态游动过程中，按照波动推进理论，通过身体的 波动，把水对鱼身体的反作用力转换为前向的推进力和侧向的 分力，整个身体波所产生的侧向分力相互消减，从而推动身体 向前运动，同时充分利用涡流的作用，对产生的涡流进行能量 回收，以提高游动效率。身体波动的形式决定了鱼的游动性能 和游动效率。 决定鱼类游动的波动方式的最主要参数是鱼类身体中心 线的波动方程。研究人员对各种采用身体波和尾鳍推进方式的 鱼类进行了研究，发现这些鱼类的身体波曲线可以用一个波动 方程来表示，根据Lig}lthill等人在多年的研究基础上提出的鱼 类游动时身体波的方程表征如下： ，，岫(并，￡)=(cI戈抑矿)sin(后名Ⅷf) (9) ‰却为鱼身体横向摆动的幅度；z为沿着鱼体的纵向位置坐标； 】|}：2叮r，A，A为身体波的波长；c。为振幅的线性增益；c：为振幅的 二次增益；埘=2卫卢2彬丁为身体波的频率。 图9仿真系统巾机器人实体建模图 nme牖 图ll两柄机器人腰部关侈速度图 一CONTAC7r_1．FIdction—fbrce．Z —‘CONTA(卫)．肼ctjon-Fom．Z 。1．屯A拟』i寥^i^触出kLI敬．膳I^n O 1．O 2．O 3．O 4．o 5．O 6．O 7．O 8．O 9．O Tin豫，s 32．01 13．54 弘j —23．s| O —CONTA(咒2．F^ction—Force．Z —一CONTACL4．肼f：tion-●'o咖．Z 1．O 2．0 3．O 4．O 5．0 6．O 7．O 8．o 9．O Time，6 圈12两柄机器人脚部摩擦力图 为了更好地表征身体波动的形式，提高波动方程的表征范 围及曲线的柔性，在保留式(9)的特征参数的同时，增加波长倍 数相对于聋的一次增益。对式(9)修改后的表达式如下： ‰由(茗，￡)=(c∥们矿)sin[(后l“班h+甜以 (IO) 通过调整．|}。和％：的值，可以根据z的变化得到更多的曲 线方程，从而可以实现更多的身体波曲线，同时可以微调身体 波．增加设计的机动性和灵活性。式(10)中的各参数相互关联， 决定了机器人的整体游动效果。摆动幅度‰卉的值由摆动曲线 方程的线性增益c。和二次增益c：共同决定，后，和后：则控制 ‰舟相对于茹的变化程度。为得到较好的鱼体波动方程，需要对 c；、c：、知。和后：的取值大小进行综合考虑。 4两柄机器人的实体仿真 要精确描述现实空问的运动，必须以=三维实体为基础，以 此形成运动构件，合理选取运动副和运动条件，实现机构的正 确约柬设置。将机器人实体导入到adams系统中添加驱动和各 关节约束后如图9所示，对各关节增加转动副驱动函数，然后 在系统中进行运动仿真求出各关节在耙行过程中的腰部关节 处位移图、速度图、四足摩擦力曲线图及各电机受力扭矩情况 分别如图10。图13所示。 4 3 2 l —l 一2 —3 ．4 X，mm 图lO两柄机器人位移图 nH幽 腰部扭矩 nme，5 前腿扭矩 Time／s 后腿扭矩 图13两柄机器人电机扭矩图 (下转104页) 1．∈壤鞲 咖 瑚 姗 渤 l 6 l 3|．冬墩辑 叩巧 卯0” ∞ 够 孔 7 西 ∞ 鼍2盘 万方数据 1042010，46(10) cD唧纰r西洒船e咖帆dApp船a豳珊计算机工程与应用 图2任务面积与信息包开销关系图 节点个数 图3节点数与信息包开锖关系图 内节点数目比较多的情况下，ADTDD协议优势会更加明显。表 l给出了实验中的—些具体数据。 表1 DD协议与ADl[DD协议平均能耗比 节点数平均能耗(DD)玎平均能耗(A啪D)，J节能百分比，(％) 5总结 自适应数据转发DD协议既可以保证兴趣包较顺利地发 送出去，同时，又能够减少节点转发数据包和节点接收重复数 据包的数量，节省了能量；同时也有效地预防了拥塞的发生，获 得了较高的性能开销。 参考文献： 【l】Hein∞Im柚WR，KIIIikJ，B山kri幽啪H．Adapdvep眦oool8for j玎fb皿ati帆dis哪ninali∞inwireI嘲8朗鲫删舯rI【s[q佃alllV．5m ACM，IEEEAIInualIlltemad锄IaIConfe陀nc∞nMobileComputiIlg andNet啪收iIIgPr∞eedin轳．seat吐e，WA，USA：ACM，1999：17扣185． 【刁IntaⅡ甥阻wiwatc，Gavind明R，Es啊nD．Di砖cteddi伍18i0II：A∞al— able柚dmbu雠c删nicali帆删gmfbr螂啪r加t啪收s【cy， Picl‘tIoltzR．6tllACM，lEEEAlInualI曲珊mi∞alC佃话瞅I∞蛆 节点个数 图4节点敦与平均能耗关系图 M0b丑ecofnpudllgand№c啪rl【ingn∞∞din铲．B∞幻忸，MA，USA： ACM．2000：5每-67． 【3】Hei眦l蚴W，Kuli】‘J，Bala“8h咖H．Ne酬ali衄ba8edp呲o- 。olsfordi昭eInilIaliIlgidbm呲i帆inwirele秘枷8叫舱n哪b田． ACMWirel嘲N神帅rl【s，2002(8)：169一185． 【4】M删啪l舯rA，^gra舯】DP．TEEN：A州dIIgpmt∞ol细衄一 h蚰∞一d豳ciencyinwirele鲳呦8∞他触【C】，，Fem妇A．15tlI Para】№l!锄dDi8ⅡibutedPr嗍illgsy唧∞i眦P嘣蒯in轳．S阻 F啪ci啪，CA，USA：IEEECornputerS0ciety，2001：20019—2015． 【5】黄宇航，黄芬，林晓辉，等．关于无线传感器网络节能问题的研究—基 于定向扩散路由协议的改进的探讨叨．计算机工程与应用，2006，42 (20)：122一125． 【6】任彪，柳立峰，马建．无线传感器网络中定向扩散协议的改进算法叨． 电子与信息学报，2006(3)． 阴H哪zJ，Halp哪JY，UL‰P勘8edadlloc删6蜮c坍慨一 cedin鼬0ftheIEEEINFDCOM，NwYori【，Ju鹏2002． 嗍苏均字，曾子维．基于定向扩散路由协议的改进叨．计算机工程与设 计，2007(1)． 【9】刘刚，周兴社，谷建华．自组织、自适应无线传感器网络理论研究叨． 计算朝．应用研究，2005(5)：33—36． 【lO】Be仕8tdtterC，RestaG，S创ⅡtiP．’nlenodedishihud∞ofthenIn— domwaypointmobilitymod融fbrwi弛le略毫dhoc珊拥池叨． ⅢEET哪8MobileC咖putilIg，2003，3(2)：257—269． 【1l】John枷D，Mal乜D．Mo吼ec衄IputilIg【M】．【S．1．】：Ⅺu唧Aca如mic PIlblishe疆．19916． (上接63页) 仿真结果表明由于这种运动方式的限制，着地两脚之间存 在相互移动，使得机器人在运动时朝某—个方向发生偏转，为 了解除这种偏差，可以在程序设计时加入偏移量，使机器人爬 行方向准确。各关节受扭矩都小于4000N·mm，在机器人制作 过程中，选用Futaba公司生产的舵机，其型号为S9451，该款舵 机具有很好的性能，在额定电压6V的作用下，其启动速度可 以达到0．10s，60。，最大转矩为8．7奴·cm(大’于4000N·mm)，可 以看出FutabaS9451的输出力矩能够满足机器人输入驱动的 要求，这与前面通过理论计算的结果大致相同。 5结论 首先探讨了仿生机器人的设计思路，然后确定了电机并对 扭矩进行估算，然后对爬行机构的关键参数进行选择；分析波 动理论模型向实际模型的转化过程，对仿鱼推进机构设计参数 优化并确定参数。然后介绍了第一代干式机器人和第二代两栖 机器人的机械结构，对两栖机器人仿鱼游动进行建模，得到简 化的物理学模型和运动学模型。最后对两栖机器人进行实体仿 真，得出位移、速度和扭矩相关曲线。 参考文献： 【l】薛艳敏，郭磊，李晓玲．机构设计在工业设计中的应用田．机电产品 开发与创新，2005(2)：12一13． 【2】hlkBL，C∞keDS，GaltS，eta1．Intemgemle醋edclimbing8e卜 1rice幽tfh弛motemainte柏n∞appIicationinlll固强do岫伽而一 ∞men乜m．Robotic8鲫dAut咖啪u8system，2005，53：14扣152． f3】休斯wF．流体动力学瞰】．北京：科学出版杜，2002． 5 4 4 3 3 2 2 l l 是孵娴翟 万方数据 两栖机器人结构设计及运动学建模 作者： 张万绪， 张建斌， 张远 作者单位： 西北大学信息科学与技术学院,西安,710127 刊名： 计算机工程与应用 英文刊名： COMPUTER ENGINEERING AND APPLICATIONS 年，卷(期)： 2010,46(10) 参考文献(3条) 1.薛艳敏.郭磊.李晓玲 机构设计在工业设计中的应用[期刊论文]-机电产品开发与创新 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