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仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学与缓冲调节

作　者: 严冬明
导　师: 王斌锐
学　校:
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 仿人机器人接触碰撞碰撞动力学假设模态肢体姿态
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 62次
引　用: 1次
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内容摘要

接触碰撞是仿人机器人之间或机器人与人之间协同工作的基础。柔性碰撞动力学是接触碰撞研究的难点。仿人机器人在非结构化环境中移动时，失去重心倾倒情况不可避免。本文针对仿人机器人的倾倒动作，重点研究倾倒及发生碰撞过程中，仿人机器人上肢体相应的碰撞动力学响应和缓冲调节方法。首先，阐述了柔性碰撞动力学研究、数值计算与动力学仿真等的发展历程和研究现状，介绍了柔性碰撞动力学建模所涉及的问题和解决方法，揭示论文选题的意义。而后，分别建立仿人机器人肢体刚性和柔性运动学模型；用D-H参数和齐次变换矩阵描述仿人机器人臂杆的位姿；基于Euler-Bernoulli梁描述臂杆的柔性变形；并用假设模态法对上肢体臂杆弹性变形进行解耦；为研究仿人机器人上肢体与墙壁碰撞过程中的动力学响应，用Hertz接触理论和非线性弹簧-阻尼模型描述上肢体与墙壁碰撞接触过程，并分别推导出单臂和双臂上肢体与墙壁碰撞接触力表达式；通过假设模态法和二阶模态来量化上肢体臂杆的弹性变形；同时考虑上肢体臂杆弹性和重力势能的影响，采用Lagrange方程，分别推导出单臂和双臂上肢体倾倒及与墙壁发生碰撞过程的动力学方程。为了对比柔性肢体和刚性肢体碰撞的不同，首先利用ADAMS建立刚性上肢体虚拟样机模型，进行击掌碰撞动力学仿真；通过编写的变步长四阶Runge-Kutta数值求解程序，用于求解上肢体倾倒过程及发生碰撞过程的运动学和动力学方程；并建立了ADAMS与MATLAB联合仿真平台，用于碰撞力控制仿真。实验中，仿真求解并分析了仿人机器人上肢体柔性碰撞前后的动力学响应。仿真了上肢体臂杆在不同抗弯刚度下的碰撞动力学响应，得到了仿人机器人上肢体臂杆末端接触力、关节转角、角速度和弹性变形曲线。对比可得，随着抗弯刚度值EI增大，接触力变大且峰值出现的相位提前，且碰撞后柔性臂关节转角变小，弹性变形和角速度的振动都减小；抗弯刚度值EI减小时，接触力变小，缓冲效果较好；仿真了不同阻尼下的碰撞动力学响应，上肢体本身考虑结构阻尼时，转动角速度和末端弹性变形在短暂振动后，趋于稳定变化；无阻尼时，角速度和弹性变形振动呈现周期性恒幅振动；进一步仿真实验发现，上肢体末端受到的法向接触力与双臂的姿态有很大关联；通过改变双臂的屈曲状态，可调整上肢体整体对肩关节的转动惯量减小，增大上肢体末端的速度，延长接触时刻，调节碰撞力，实现碰撞过程中的主动缓冲调节；上肢体整体结构刚度阵行列式随肘关节屈曲角度加大呈下降趋势，降低碰撞前上肢体末端速度来增加缓冲时间；最后，建立了仿人机器人上肢体末端与外界接触力的控制模型，并通过ADAMS与MATLAB联合仿真平台进行验证。本文通过MATLAB编制的数值求解算法可实现仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学全过程动力学仿真。仿真实验描述了上肢体与墙壁碰撞过程的动力学特性，验证了本文所建模型与求解算法的有效性。本文的工作对于仿人机器人碰撞动力学研究和控制有一定的参考价值。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-13
图清单  13-15
表清单  15-16
1 绪论  16-26
  1.1 引言  16-18
  1.2 课题研究背景  18-24
    1.2.1 柔性碰撞动力学研究现状  18-19
    1.2.2 柔性碰撞动力学建模方法  19-23
    1.2.3 柔性碰撞动力学求解算法  23-24
  1.3 论文选题意义  24-25
  1.4 本论文主要工作  25-26
2 仿人机器人上肢体刚性和柔性运动建模  26-33
  2.1 概述  26-27
  2.2 上肢体摆动旋转变换矩阵  27-29
    2.2.1 主动旋转变换矩阵  27-28
    2.2.2 被动旋转变换矩阵  28-29
  2.3 基于D-H参数齐次变换描述肢体刚性转动  29-30
  2.4 基于Euler-Bernoulli梁描述肢体柔性变形  30-32
  2.5 本章小结  32-33
3 仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学建模  33-49
  3.1 概述  33
  3.2 上肢体与墙壁接触分析  33-37
    3.2.1 Hertz接触理论  33-36
    3.2.2 非线性弹簧-阻尼模型  36-37
  3.3 悬臂上肢体的模态分析  37-42
    3.3.1 上肢体的弯曲振动方程  37-38
    3.3.2 上肢体的自由弯曲振动  38-40
    3.3.3 振动的固有频率与振形函数  40-42
  3.4 仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学方程推导  42-48
    3.4.1 上肢体动能  42-43
    3.4.2 上肢体势能  43-44
    3.4.3 假设模态法离散化  44
    3.4.4 广义碰撞接触力  44-45
    3.4.5 单臂仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学方程  45-47
    3.4.6 双臂仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学方程  47-48
  3.5 本章小结  48-49
4 动力学数值算法设计与联合仿真平台  49-57
  4.1 仿人机器人上肢体动力学仿真概述  49
  4.2 仿人机器人上肢体动力学方程数值求解算法  49-53
    4.2.1 四阶Runge-Kutta法  49-51
    4.2.2 变步长四阶Runge-Kutta算法设计  51-53
  4.3 ADAMS与MATLAB联合仿真  53-56
    4.3.1 ADAMS动力学建模与求解  53
    4.3.2 ADAMS与MATLAB数据交换  53-54
    4.3.3 联合仿真平台设计  54-55
    4.3.4 ADAMS对柔性体的建模  55-56
  4.4 本章小结  56-57
5 柔性碰撞动力学仿真与参数调节  57-80
  5.1 仿人机器人上肢体动力学仿真流程  57-58
  5.2 仿人机器人刚性上肢体击掌碰撞动力学仿真  58-62
    5.2.1 仿人机器人肢体参数  58-59
    5.2.2 仿人机器人上肢体击掌碰撞仿真与分析  59-62
  5.3 单臂仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学仿真  62-70
    5.3.1 单臂仿人机器人上肢体参数  62
    5.3.2 单臂仿人机器人上肢体柔性碰撞仿真与分析  62-65
    5.3.3 单臂仿人机器人上肢体抗弯刚度参数调节  65-68
    5.3.4 单臂仿人机器人上肢体阻尼系数调节  68-70
  5.4 双臂仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学仿真  70-78
    5.4.1 双臂仿人机器人上肢体参数  70-71
    5.4.2 双臂仿人机器人上肢体柔性碰撞仿真与分析  71-74
    5.4.3 双臂仿人机器人上肢体姿态调节  74-78
  5.5 ADAMS与MATLAB联合仿真结果  78-79
  5.6 本章小结  79-80
6 总结与展望  80-82
  6.1 总结  80-81
  6.2 展望  81-82
参考文献  82-87
附录A  87-89
附录B  89-92
作者简介  92

仿人机器人上肢体柔性碰撞动力学与缓冲调节

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