机械臂仿真系统的开发及算法的仿真实验

第一章引言

1.1可重构模块化机器人介绍
随着机器人在人们生产生活中的应用变的越来越广泛，工作者渴望可以看到在简单化机器人的创建与构造部件、减小机器人设计制作成本的情况下，增加机器人系统的多样化应用功效，同时也满足机器人性能与结构的多样性，因此在机器人学研究范围领域发展出了名为可重构机器人（Reconfigurable Robot)概念的研究。可重构机器人实际上是对机器人的一种通用化，也就是说通过模块化，将机器人的每一个组成部分，变得逐渐独立，并通用，类似机械制造中的标准零部件。这样将会使机器人逐渐变得组成模块能够被相互装配，以及在软件编程方面具备柔性组合。模块化和自重构，这个概念的发起早已在现代工业中，以及比较特别的应用领域的研究中产生了比较巨大的反响。早在二十世纪八十年代的时候，由于相关制造产业的飞速发展的需要，模块化概念得到了进一步挖掘，并设计出了相应的模块化的机器人控制系统，那时期阶段几种模块化机器人得到了相应的幵发与创造。随着机器人的应用在人们日常生活中作用的逐渐扩展，机器人在非制造领域也占据了一席之地，特别是在考虑到非制造领域的任务与周边环境的复^性，相应的在此类的工作机器人的需求方面，会更加大。本质上来说，下述特点为模块化的机器人的开发要求：
(1)、机械结构的研究和设计如何找到一种方法，能够方便有效的进行机器人的构型设计，并帮助其实现自重构，是十分关键的部分。相应的，其构造研究构造方法体现在以下几个主要部分：首先是要构建一种恰当的方法对机器人的结构形状系统的描述；其次就是确)构型的评判标准；最终目的是通过优化现有开发方式得出能够顺利进行工作任务的最适宜结构形状。对于最佳设计的评判标准，必须依据所需满足的工作任务来设定。
(2)基础单元的开发与设计可重构机器人的基础单位是单个模块，种类繁多，针对不同任务目标，会有不同的单元，性能方面也存在差异，但都必须满足以下方面的目标：单元需要达到构型目标的结构要求；单元能够进行独立分析、运算及运行能力；单元与单元或机器人其它部分实现数据方面的等级交换；单元必须要具备满足进行工作任务的物理特性；单元的各项参数需要在能够顺利完成任务的条件下尽量高效；单元是柔性，而且需要具备在一定程度上的错误分析容纳能力；
(3)单元整体运动、动力特征以及控制系统开发当可重构机器人的结构形状特征产生了变化，则相应此单元的运动以及动力学情况也将产生必然的改变。从一般情况看来，基于对某些传统的、针对具有特殊构造特征性的机器人的研究而言，其对于运动学或者动力学两者的研究并不适用于普通结构特性的机器人。因此构建一些涵盖多种结构形状的通用研究办法，十分有必要。这也是本文的研究工作之一。
(4)系统的整体构造方式以及功能满足设计机器人之所以得以被广泛应用，归根结底得益于其具有的柔性特征。因此，可重构的机器人的幵发与设计，必须达到以不变应万变的功能特性，也就是说通过固有得几种单元让整个系统能够在一定范围内变换其结构及功能特性，依照实际任务目标环境的不同需求来实现、满足相对应的任务功能。高效的构成满足不同任务目标构型需求的机器人，并同时保证使用尽可能少的模块数量与类型；尽可能少的对控制系统的多次编辑与修改；经组合后，整个系统必须能马上投入工作，并顺利完成工作任务。对于模块化可重构机器人系统研究的关注点主要集中在以下几点：
1)模块所具备的功能和结构。对于基础单元在组合或者分离后，各功能特性方面的独立性得不到保证，或整理系统功能紊乱，无法正常工作方面，需要十分重视。各个单元间的数据信息的输入与输出，模块关节的运动特性，以及结构特性不同的单元所面临的不同的约束与限制通过一定的方法进行预先区别开，是该方面主要需要考虑的问题。
2)目标结构的定义与构成。目标构型的自动生成、基础单元间的信息交互和基础单元与其他单元部分的通信交流，是非常重要的研究方向。
3)运动学算法的研究。理论上来说，模块化的机器人模型一般来说，在分析研究的时候，不会对其动力学方面进行单独研究，在空间系的属性需要加权到整个系统中或运行速度在研究中必须要考虑到的时候，运动学及动力学方面的问题需要进行仔细考虑。
4)信息的读取与存储。主要内容是对于涉及到的相关数据信息的输入与输出如何实现，单元结合后各个独立的数据信息怎样被融合，在单元间出现矛盾的时候，怎样进行排除与协调。要实现机器人的可重构，则首先要求控制软件中的核心部分——算法，也必须是能自动调整和生成。若能够开发出一种适合于实时在线控制的模块化软件和仿真系统，无疑具有很高的学术价值与实际应用价值。这种模块化算法与软件系统的成功研发能提高机器人的定位精度、减少计算时间，能针对不同的任务与操作环境进行离线仿真，可广泛应用于各行业中的工业机器人、太空机器人及新近成为研究热点的连续机器人大大拓展可重构模块化机器人的应用范围，同时其可为空间机构的基础理论研究，甚至生物学中蛋白质多肽链的研究提供新的思路，具有十分明显的应用潜力。

1.2仿真构成及其现实作用
仿真的本质是通过提取现实中的一部分基本属性，并将其进行抽象分离，移植到相应的平台上。研究人员在分离后的平台上结合所构造的模型系统，进行适当的实验，并在这个过程中研究分析出有价值的数据信息，将研究成果应用到现实中，针对现实中的实际问题采取尝试性的试验性解决方法。也可理解为"仿真"技术仅仅是一种相对于现实层面的对立。

    1.3 框架结构和基本内容................. 10-11
第二章串联机械臂的通用运动学问题 .................11-18
    2.1 概述 .................11
    2.2 机械臂的运动学通用算法研究发展 .................11-13
    2.3 机械臂的运动学基础 .................13-16
    2.4 小结 .................16-18
第三章五自山度机械臂运动学模型 .................18-30
    3.1 概述 .................18
    3.2 通用五自由度的运动学模型 .................18-20
    3.3 机械臂的正解 .................20
    3.4 通用逆解算法 .................20-24
    3.5 Groebner基算法 .................24-29
    3.6 小结 .................29-30
第四章机械臂三维仿真系统的开发及算法的仿真实验 .................30-57
    4.1 开发平台 .................30-33
    4.2 用户界面-数据输入与输出 .................33-35
    4.3 机械臂的图像模型 .................35-39
    4.4 运算演示 .................39-42
    4.5 最优解选择机理的建立 .................42-43
    4.6 三种构型机械臂的算法仿真实验 .................43-49
    4.7 算法比较 .................49-56
    4.8 小结 .................56-57

结论

本文在对国内外机械臂运动学研究作了充分了解的基础上，首先将机械臂运动学算法研究的意义及现状作了归纳，并对目前串联机械臂运动学研究思想作了一定的总结，同时也对其研究发展方向给出了自己的认识。本文一些有价值的研究成果主要为：一是建立五自由度运动学模型及其通用求解算法；二是构造了图像模型并进行相应算法及图像的仿真。显示的仿真结果与所建立的理论模型符合，证明了本文所构建的算法模型的正确性。结合MAPLE与Visual C++平台及openGL图形库所建立的运动仿真系统，对涉及到机械臂的功能测试的环节具有非常重要的作用，具体表现为以下几点：
一、综合分析机械臂运动学研究的现有算法，并对其进行相应归类总结。依据对目前研究状况的理解，对运动学算法进行相应分类为求类解析解的消元法、数值迭代法、渐近解法、基于遗传算法的解法、神经网络求解法等，对其自身的各种优缺点进行了阐述说明。
二、通过构建五自由度机械臂运动学模型，为更高自由度机械臂运动学正逆解的求解，奠定了基础。
三、运用算法对运动学进行正逆解求解。结合实际算例，对算法可行性进行了验证，同时通过比较，得出Groebner基法下在通用求解思想上的优势。虽然迭代算法在运动学求解方面确实存在一定缺陷，但是作为能涵盖任意构型的五自由度的运动学算法而言，其作用不可忽视。
四、在Windows平台上，采用Visual C++与openGL图形库，开发了五自由度机械臂运动学三维图像模型，对于在可视环境中，直观展示机械臂运动关系、轨迹规划等方面提供了比较有效的方法，有助于机械臂运动学方面的教学与推广。结合openGL图形库优越的图像渲染及高精度仿真能力，运动学研究的仿真也会变得更具有直观意义。

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