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一種剛軟混雜機器人系統的耦合仿真方法之計算機分析

發布時間:2019-08-09 10:11 論文編輯:vicky 價格: 所屬欄目:計算機論文 關鍵詞: 計算機論文剛軟混雜機器人仿真

本文是一篇計算機論文,本文提出了一種基于耦合模型的剛軟混雜機器人仿真方法,并在機器人操作系統ROS中實現。該方法通過互相映射GAZEBO和SOFA兩個仿真平台的底層物理模型,在保持原有結

本文是一篇計算機論文,本文進行了多種仿真實驗以及樣機實驗,證明該仿真方法對軟體結構的柔順性、保持體積不變性、能量保持和吸收等物理特性都能有效仿真,仿真系統具有良好的收斂性和穩定性。同時對剛軟混雜機器人在特定場景下的任務應用進行了仿真,以檢驗仿真中可以同時使用雙平台的機器人工具鍊進行任務控制。

第 1 章 緒論

1.1 課題研究的目的及意義
本課題針對目前快速發展的軟體機器人,以及混雜了傳統剛體材料部件和軟件材料部件的剛軟混雜機器人進行了調研,發現了其中對于剛軟混雜機器人的仿真工作目前仍然存在許多困難。其主要原因為剛體和軟體機器人所使用的結構材料不同,所表現的運動性質不一樣,其運動學和動力學建模存在着本質的不一樣。
目前的仿真工具或平台通常使用不同的方法分别對剛體和軟體進行建模和計算,從而基于該工具或平台所發展的機器人工具鍊也不同互相兼容。這意味着,現在的剛體和軟體仿真工具及其附屬工具鍊都無法應用在剛軟混雜機器人上。包括發展得很成熟的剛體機器人工具鍊,如機器人建模、環境建模、運動控制、任務規劃等軟件功能包,以及軟體機器人工具鍊,如軟體驅動器建模、可變形體姿态控制、接觸力控制等軟件功能包。
随着軟體機器人和剛軟混雜機器人的迅速發展,其不僅在研究領域中成為熱點,而且也在社會中逐漸占據着重要的經濟地位。如果不能将現有兩個平台的機器人工具鍊結合在一起,那麼不僅會導緻研究難以進行,同時也會浪費大量人力物力進行重複的程序開發,因此剛軟混雜機器人仿真工作所存在的問題亟待解決。
本課題通過分别對主流的剛體和軟體仿真方法和平台進行調研,對軟體機器人的運動學、動力學進行分析與建模,并提出來了一種基于剛軟耦合模型的仿真方法,并進行了物體抓取任務的仿真實驗和實際樣機驗證實驗。提出的該方法使得機器人研究者可以迅速方便地建立起剛軟混雜機器人的仿真場景,并且能夠充分利用剛體和軟體現在的機器人工具鍊程序包,對剛軟混雜機器人的仿真研究工作有着重要的意義,加速剛軟混雜機器人的研究發展。
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1.2 國内外相關技術發展現狀
1.2.1 剛軟混雜機器人的意義和發展現狀
軟體機器人目前是一個新型的機器人學科,擁有巨大的發展潛力,正在高速發展,并在越來越多的應用中發揮關鍵的作用。軟體機器人與傳統的剛性結構機器人有所不同。傳統剛性結構機器人主要使用剛性的結構組件和剛性的驅動器,擁有結構簡單、利于控制的特點,可以完成快速、準确、重複性高的動作任務。剛性機器人在工業生産中已經有大量的使用,例如汽車生産工業、數碼産品組裝行業等。但是剛性機器人的結構相對固定,往往隻針對某一個固定任務,需要預先根據任務工作環境進行結構設計,不能對環境進行靈活的交互。對于不可預測的環境和高度複雜的環境,例如非工業化的自然環境、救援救災環境、需要與人交互的環境,傳統剛性機器人往往受限于自己缺少變化性的結構,導緻無法發揮功能。
軟體機器人的結構組成全部或者部分使用柔性的部件,比如使用柔性的材料作為主要的支撐結構,以及使用柔性驅動器作為動力來源,如Trivedi 等 (2008)的工作。通過利用這些柔性部件的高度靈活性、可變型性,軟體機器人能夠達到較大角度的彎曲,因此可以用于有限空間内的多種任務,達到模仿生物學的運動 (孟凡昌 等, 2018)。自身的結構可以連續變形,因此還可以使其形狀适應環境,
在崎岖的地形上運動。或者利用柔順性的運動來操縱不确定的目标對象物體,從而适應多種任務。同時,也能執行快速、敏捷的動作,如魚的逃跑動作,蟲的彈跳運動。
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第 2 章 軟體機器人運動學、動力學建模

2.1 引言
首先我們需要對整體機器人進行運動學和動力學分析與建模。正向運動學是通過機器人模型信息和當前的各關節變量來計算出計器人的姿态。而逆向運動學則是已知機器人模型信息和機器人末端的姿态,來反解出對應的機器人各關節變量。而動力學分析是指研究在動态的過程中,即考慮慣性項和時間項,分析機器人運動和受力之間的關系。
對于一個本文所研究的仿真工作來說,這兩種分析是之後所有仿真方法研究的基礎。由于剛性機器人的運動學和動力學的分析已經較為成熟的研究,在這裡不再贅述,下面僅介紹主要的軟體機器人的運動學和動力學建模方法。
對于軟體機器人來說,因為其自身結構并不含有關節和連杆結構,而是連續變形體的結構,這給軟體機器人的運動學和動力學理論分析建模帶來了困難。在簡單的情況下,可以使用一些近似的方法來得到簡化的模型,從而進行理論分析。但是對于複雜的軟體結構,通常數使數值分析方法。
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2.2 運動學建模
有許多研究者先對軟體的生物進行了分析和建模來幫助理解軟體的行為。Woods 等 (2008) 通過測量毛蟲肌肉的信息得到肌電圖,并對其進行運動學分析,得到動力學特性曲線。Mazzolai 等 (2007) 通過生物解剖的方法對章魚觸手的肌肉進行了分析,得到了對其運動相關的肌肉組織結構,并在實驗中得到了相應的應變曲線。Yekutieli 等 (2007) 介紹了一種用于章魚觸手運動過程三維重建的半自動計算機系統。該系統使用兩個攝像機來克服複雜光線條件下的非剛體運動提取的困難。
除了對生物進行研究外,還可以通過使用超冗餘機器人的建模方法來對軟體機器人進行建模。這是因為在對于精度要求不高,或者是實時性要求較高的時候,軟體機器人的無限多個自由度的特性所帶來的行為與超冗餘機器人的行為較為相似。其理論基礎是,通過将超冗餘機器人視作很多個圓弧連杆連接而成的一個整體,然後使用分段常曲率連續體模型 (Webster III 和 Jones, 2010) 對整個機器人進行運動學建模。其中,每一個分段使用常曲率特性連續體模型來簡化建模分析的過程。
定義 2.1. 彎曲平面角:是指在彎曲的圓弧所在的平面與 x 軸的夾角。

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第 3 章 耦合仿真方法 · · · · · · · · · · · · · · · · 21
3.1 引言 · · · · · · · · · · · · · ·  · · · · · · 21
3.2 剛軟耦合的基本設計思想 · · · · · · · · · · · · · · · · · 21
3.3 剛軟耦合模型的建立 · · · · · · · · · · ·  · · · · 23
第 4 章 實驗及結果分析 · · · · · · · · · ·  · · · · 41
4.1 引言 · · · · · · · · · · · · ·  · · · · · 41
4.2 純軟體仿真實驗· · · · · · · · · · · · · · 41
4.3 剛軟混雜機器人仿真實驗 · · · · · · · · · · · · · · 43
第 5 章 結論及展望 · · · · · · · · · · · · · 55
5.1 本文結論 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 55
5.2 未來展望 · · · · · · · · ·· · · · · · · 55

第 4 章 實驗及結果分析

4.1 引言
為了驗證本仿真方法有效性,本課題進行了多個實驗:
1. 為了驗證本課題的仿真方法能夠在剛體動力學仿真器 GAZEBO 裡對軟體結構進行仿真,先進行了純軟體結構物體的摔落仿真實驗;
2. 為了驗證對于剛軟混合機器人能夠同時利用其剛體仿真平台和軟體仿真平台的工具鍊,進行了剛軟混雜機器人在特定場景特定任務下的仿真實驗,也同時對剛軟混雜機器人的控制算法進行了一定的研究;
3. 為了對比本課題的仿真方法的仿真效果,制作了實際樣機并做了相同任務要求的實驗,以對比仿真效果。
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第 5 章 結論及展望

5.1 本文結論
本文通過前期調研,指出了目前剛軟混雜機器人仿真領域存在着剛軟機器人工具鍊不能同時使用的現狀,使得研究工作存在一定困難。接着本文提出了一種新的仿真方法,該方法基于一種新的剛軟耦合模型,可以将剛體仿真平台和軟體仿真平台兩者的底層物理模型耦合起來,實現兩個仿真平台的相應的機器人工具鍊能夠同時應用在一個剛軟混雜機器人上。然後将該方法基于 ROS 系統進行了實現,使用了 GAZEBO 和 SOFA 這兩個仿真平台。最後使用該方法進行了軟體和剛軟混雜機器人的仿真實驗,以及制作了實際樣機進行對比驗證,證明了該仿真方法的有效性。