毕业设计(论文)-基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究.doc
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1、河南工程学院河南工程学院 本科毕业设计(论文) 题 目 基于手脚融合的多足步行机器 人的运动精度研究 学生姓名 专业班级 机设 06-4 班 学 号 号 院 (系) 机电工程学院 指导教师 (教授) 完成时间 2010 年 5 月 30 日 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 I 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 摘 要 机器人运动误差是衡量机器人性能的重要指标之一,直接影响到机器人的工作 质量,对多足步行机器人的运动精度研究是一项重要而富有意义的工作。本文以四 足步行机器人为研究对象,通过分析机器人的正运动学和逆运动学运动方程和误差 方程,对步行机器人的精度分析问题进行了比
2、较深入的理论研究。 首先,结合国内外多足步行机器人现状和误差分析现状以及多足步行机器人的 机构特点,分析了运动误差的主要来源。 其次,在多足步行机器人正逆运动学的求解过程的基础上,运用微分的方法计 算运动机器人正逆运动的误差方程。 最后,在 MATLAB 环境下编制相应的误差分析程序,通过实例仿真验证误差分析 的正确性。 关键词: 多足步行机器人/正运动学/逆运动学/误差分析 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 II HAND-FOOT-INTEGRATED MECHANUSM THE MORE WALKING ROBOT FUSION ACCURACY OF MOVEMENT ABS
3、TRACT The motion error is one of the important indexes robot performances, which affect the working quality of the multilegged walking robot directly, for much of the motion precision walking robot research is an important and meaningful work. Based on four walking robot for research object, through
4、 the analysis of the robot kinematics and inverse kinematics is in error equations equation and the walking robot, precision analysis problem, deeply theoretical research. First, combined with the domestic and foreign many walking robot present situation and the error analysis, as well as the charac
5、teristics of the walking robot, the error analysis of movement error is the main reason for the difference. Secondly, in walking robot is the inverse kinematic solution process, using the differential method of inverse robot motion equation of movement error. Finally, in the MATLAB environment corre
6、sponding error analysis program compiled by example to prove the correctness of the error analysis. Keywords: multi-legged walking robot,forward kinematics,inverse kinematics,Error analysis 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 III 目 录 摘 要.I ABSTRACTABSTRACT.II 1绪论.1 1.1 引言1 1.2 课题来源、目的及意义.1 1.3 国内外研究现状.2 1.4 本文研究内
7、容.7 2多足步行机器人的正运动学分析和误差分析9 2.1 引言9 2.2 研究对象的介绍.10 2.3 影响运动误差的主要因素11 2.4 机器人正运动学分析和误差分析13 2.4.1 串联机械手的正运动学13 2.4.2 机器人抓取时的正运动学分析.16 2.4.3 算例.19 2.5 本章小结.21 3多足步行机器人的逆运动学分析和误差分析22 3.1 机器人的逆运动学分析和误差分析.22 3.2 算例26 3.3 本章小结.28 结论.29 致谢.30 参考文献31 附 录33 附录 133 附录 237 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 1 1绪论 1.1 引言 在自然界和
8、人类社会中,存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场 合,如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等,对这些危险环境进行不断地探 索和研究,寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。具有 仿生特征的移动机器人,因为能够代替人在一些非结构性环境中作业而成为了学者们研 究和关注的热点。 传统的移动机器人主要包括履带式、足式、轮式、混合式等多种运动形式。其中, 履带式和轮式机器人结构较简单,其运动能力受到环境因素的限制。相对于轮式、履带 式机器人而言,多足步行机器人在非结构化、存在不确定性的环境内移动虽具有较大的 优势,但现有的多足步行机器人通常作为一种单纯的移
9、动平台,或者配置特定的机械臂才 能完成作业。如果能够在腿/臂融合结构基础上,把多足机器人的腿设计成具有手脚融合 功能的结构形式,可使其能在在更多特殊环境和场合中使用,因而该类机器人具有广阔的 应用前景。 鉴于此,为了拓展多足步行机器人的实际应用,在世界范围内的科研人员对多足步行 机器人的结构及所配工具开展了广泛的研究,如日本东京工业大学开发了 TITAN-IX 型排 雷四足步行机器人。 瞄准国内外机器人技术的前沿,为了给我国步行机器人的研究提供理论平台和关键 技术,开展多足机器人的技术和相关理论研究具有重要的科学意义和应用价值。 1.2 课题来源、目的及意义 课题来源于国家自然科学基金(编号:
10、50875246):本文是分析多足步行机器人运 动时误差产生的原因,建立误差分析的模型,对误差参数经行分析。 步行机器人(walking robot)或步行车辆(walking vehicle)简称步行机,是一种智能型机器 人,它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高 科技。在崎岖路面上,步行机器人优于轮式或履带式车辆。步行机器人腿式系统具有很大 的优越性:较好的机动性,崎岖路面上乘坐的舒适性,对地形的适应能力强。所以,这类机器 人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 2 业,有
11、非常广阔的应用前景,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。 定位精度是衡量多足机器人性能的一个重要指标,因此,无论在理论上还是在实验 当中都受到了国内外学者的广泛关注。目前,由于工业机器人的广泛应用,针对其误差 的研究已经受到了广大学者的关注,而多足步行机器人尚未能像工业机器人那样大规模 的应用,其基础理论的研究比较滞后,关于其位姿误差分析的研究自今很少涉及。 通过多足步行机器人的位姿误差分析,可以得到各个误差源对机器人机构输出位姿 的影响程度,从而可以发现机构中的关键环节,明确提高机器人精度的重点和方向,为 改善机器人的设计质量和提高机器人的设计水平提供准确可靠的资料和依据
12、。因此,在 多足步行机器人领域对精度进行研究是一项重要而富有实际意义的工作。 本课题的研究将介绍一种多足步行机器人的误差分析的方法,以四足步行机器人为 例,通过仿真验证该方法的可行性。该课题的研究将会促进多足步行机器人向实用化迈 进。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 多足步行机器人的研究现状 多足步行机器人的发展最早可追溯到中国古代三国时的“木牛流马” 。有据可查的是 在 1893 年 Rygg 设计的机械马,历经一个多世纪的发展,特别是随着 20 世纪后期计算机 技术、电子技术、人工智能技术、生物工程的飞速发展,多足步行机器人的研究已经取 得了长足的进步。 20 世纪 60 年代初,由美
13、国的 Shigley 和 Baldwin 设计出了比履带车或轮式车更为灵 活的步行机。比较典型的是由 Mosher(美国)在 1968 年设计的“WalkingTruck”四足车 1,如图 1-1 所示。其四条腿采用液压驱动,手臂和脚安装有位置传感器,具有步行和爬 越障碍的功能,因此, “WalkingTruck”被视为步行机发展史上一个里程碑。 在 1976 年,日本的 Shiego Hirose 成功研制了世界上第一台四足步行机器人 KUMO,如图 1-2 所示。它的外形像一个蜘蛛,有四条腿,能够爬行2。 1983 年由美国研制的 “ODEX-I” 六足步行机器人,6 条腿沿圆周均布,且每
14、条腿有 3 个自由度,适于在狭小空间里运动,还可以上下台阶。 1984-1986 年东京大学的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Collie-l 四足机器人,如图 l- 3 所示。在 1986-1988 又研制了 Collie-23,如图 l-4 所示。Collie-2 每条腿有 5 个关 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 3 节,且每个关节都装有电位器。该机器人装有实时操作系统,实现了 trot 和 pace 步态。 1984-1986 年东京大学的 Shimoyama 和 Miura 研制了 Collie-l 四足机器人,如图 l- 3 图 1-1步行机“Walkin
15、gTruck”图 1-2第一台四足步行机器人 KUMO 所示。在 1986-1988 又研制了 Collie-23,如图 l-4 所示。Collie-2 每条腿有 5 个关节, 且每个关节都装有电位器。该机器人装有实时操作系统,实现了 trot 和 pace 步态。 图 1-3Colliel图 1-4Collie-2 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 4 图 1-5“Spider-robot”图 1-6 “Attila” 美国 NASA 研制的微型爬行机器人“Spider-bot” ,如图 1-5 所示,机器人外形象蜘蛛, 重量轻,体积只有人头部的一半大小,可以在不规则的星球表面爬行
16、。1990 年初由美国 MIT AI Lab 完成的仿昆虫有腿行走机器人 Attila,如图 1-6 所示。Attila 采用了模块化 设计, 头、腿、身体都有各自的驱动器、传感器和子处理器,有 19 个自由度。 S.Hirose 等研制的 TITAN 系列四足步行机器人历经了八代。TITAN-III4,其足由形 状记忆合金组成,且装有信号处理系统和传感器,可以自动检测与地面接触的状态。 1994 年研制了 TITAN-VII,其能够躲避障碍和在陡峭和崎岖的地方步行。1996 年研制的 四足机器人 TITAN-VIII,如图 1-7 所示,它具有很高的地面适应能力,腿能够作为工作 臂,用于排雷
17、和探测地雷5。 图 1-7TITAN-VIII图 1-8Scout-I 加拿大 McGill 大学研制了四足机器人 Scout-I 6,如图 1-8 所示,机器人只有四个自 由度,每条腿有一个转动关节。能转弯、步行和跨台阶,但可靠性较差。Scout-II 7,如 图 1-9 所示,能完成奔跑和步行等运动。 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 5 图 1-9Scout-II图 1-10 BISAM 1995 年,日本的安達、小谷内等研究了手脚统一型步行机器人 MELMANTIS8,能将 脚的移动和手臂的操作统一起来。该机器人可进行地雷探测、森林采伐和拆除作业等。 1998 年由德国开发的
18、四足机器人 BISAM9,如图 1-10 所示。该机器人 4 条腿完全相 同,每条腿之间由 3 个转动关节相连,另一个转动关节连接躯干和腿部。该机器人实现 了实时控制。 西班牙开发的四足机器人 SIL04,如图 1-11 所示。机器人每条腿有 3 个回转关节, 并装有倾角器、编码器、力传感器和电位器。能在不平地面上行走,并能躲避障碍物。 图 1-11 SIL04图 1-12 ASTERISK 2005 年由大阪大学的新井健生、田窪明仁等研制成功的新型手脚统一型步行机器人 ASTERISK8,如图 1-12 所示。该机器人有 6 条腿, 且每条腿有 4 个自由度,具有用手搬 运物品及用脚移动或进
19、行作业的双重机能,具有全方向移动的机能和全方位均等的作业 空间,可悬吊于天花板进行作业或在不平地面上移动。采用电机驱动,有 6 个 CCD 摄像 机和 11 个传感器。 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 6 国内从 20 世纪 80 年代末 90 年代初开始研究步行机8。 近年来,对多足步行机器人 相关技术的研究取得了一系列成果。 1980 年,中国科学院研制成功了八足步行机器人。1989 年,北京航空航天大学研究成 功了四足步行机器人。1990 年,中国科学院沈阳自动化研究所研制出了六足步行机器人10。 同年,清华大学也研制成功了全方位三足步行机器人 DTWN。1991 年,上海交
20、通大学研制 了四足步行机器人 JTUWM 系列11。2000 年,上海交通大学研制了微型双三足步行机器人 MDTWR。2002 年,上海交通大学研制了微型六足仿生机器人12。华中科技大学研制的 4+2 多足步行机器人13。 从目前国内外多足步行机器人的研究现状可看出,多足步行机器人多作为一种移动 平台,很难实现复杂的操作功能。对有手脚融合功能的多足步行机器人的研究极少涉及。 2005 年由大阪大学的新井健生、田窪明仁等研制成功的新型手脚统一型步行机器人 ASTERISK8,如图 1-12 所示。该机器人有 6 条腿, 且每条腿有 4 个自由度,具有用手搬 运物品及用脚移动或进行作业的双重机能,
21、具有全方向移动的机能和全方位均等的作业 空间,可悬吊于天花板进行作业或在不平地面上移动。采用电机驱动,有 6 个 CCD 摄像 机和 11 个传感器。 国内从 20 世纪 80 年代末 90 年代初开始研究步行机8。 近年来,对多足步行机器人 相关技术的研究取得了一系列成果。 1980 年,中国科学院研制成功了八足步行机器人。1989 年,北京航空航天大学研究成 功了四足步行机器人。1990 年,中国科学院沈阳自动化研究所研制出了六足步行机器人。 同年,清华大学也研制成功了全方位三足步行机器人 DTWN。1991 年,上海交通大学研制 了四足步行机器人 JTUWM 系列。2000 年,上海交通
22、大学研制了微型双三足步行机器人 MDTWR。2002 年,上海交通大学研制了微型六足仿生机器人。华中科技大学研制的 4+2 多 足步行机器人14。 从目前国内外多足步行机器人的研究现状可看出,多足步行机器人多作为一种移动 平台,很难实现复杂的操作功能。对有手脚融合功能的多足步行机器人的研究极少涉及。 1.3.2 行机器人误差研究的现状 机器人的实到位姿与理论位姿之间的偏差,称为机器人的位姿误差,这个指标直接 影响到多足步行机器人定位精度。在很多应用场合,多足步行机器人机身可作为作业平 台搭载仪器设备,因此其定位精度直接影响到机器人的工作质量。目前,有很多学者对 并联机器人误差进行了研究,由于多
23、足步行机器人在瞬时类似于具有冗余驱动的并联机 构,因此,对并联机器人的误差分析理论也可用于多足步行机器人的误差研究中。 基于手脚融合的多足步行机器人的运动精度研究 7 在国外,已有不少学者对机器人误差建模进行了研究。早在 1978 年,K J Waldron 和 A Kuman 就提出了操作机器人的位置误差问题。次年,他们又对机器人位置精度提出 了机器人位姿误差建模的矩阵法,在 D-H 坐标系中,采用两个 33 旋转变换矩阵和一个 3 维平移列矢量作为相邻构件之间的转换矩阵,并假设结构参数已知,且不存在任何误差, 建立了机器人末端执行器的位置误差表达式。后来,A Kuman 和 S Praka
24、sh 引入结构参数 误差,导出了综合考虑运动变量误差和结构参数误差的机器人末端执行器的位置误差表 达式。Chi-haur Wu 将机器人机构运动速度分析方法应用到静态误差分析中来,导出了由 于构件结构参数误差和关节运动变量误差引起的末端执行器位置误差变化规律。Wang S M 和 Ehmann 利用坐标转换方法,针对并联机构驱动器误差、铰链自身误差及铰链定位误 差建立可以直接微分的输入输出方程然后进行直接微分,进行误差建模。Timo 提出一种 分析机器人精度的方法,根据输入输出方程微分推导求得输出误差与驱动误差与尺寸误 差的关系方程。Han S Kim 对 Stewart 平台的并联机器人运动
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