基于中間件技術(shù)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著歐、美、日、韓等主要發(fā)達(dá)國家高度重視機(jī)器人的發(fā)展而紛紛推出發(fā)展機(jī)器人的國家層面的戰(zhàn)略規(guī)劃，中國也已將發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上升到了國家戰(zhàn)略。在我國“十二五”規(guī)劃中，高端制造業(yè)即“機(jī)器人與智能制造”，已被列入了戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。但是，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)薄弱、市場份額和附加值低，尤其體現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于智能制造和家庭服務(wù)等領(lǐng)域的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的系統(tǒng)集成和應(yīng)用開發(fā)上，而關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)則是其中的主要研究熱點(diǎn)之一。另一方面，機(jī)器

2、人的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各功能組件之間的可重用與互操作，有效降低開發(fā)成本和難度，有利于促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，已受到了世界各機(jī)器人發(fā)達(dá)國家的高度重視。機(jī)器人中間件技術(shù)是推動和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的主要有效途徑之一，針對基于中間件技術(shù)的組件化標(biāo)準(zhǔn)體系和系統(tǒng)集成技術(shù)的研究已逐漸成為新世紀(jì)以來機(jī)器人領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)并受到廣泛關(guān)注。本文以多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人為研究對象，對關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)仿真系統(tǒng)開發(fā)中所涉及的

3、主要關(guān)鍵問題，即包括動力學(xué)仿真系統(tǒng)的組件化模型、機(jī)器人的模型簡化和參數(shù)化虛擬裝配、關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)分析與控制以及基于中間件技術(shù)的系統(tǒng)集成與應(yīng)用等進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了一套完善的基于中間件技術(shù)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)架構(gòu)。本文的主要研究工作包括以下幾個方面：
　　（1）通過分析機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)各組件的接口特點(diǎn)以及相互之間的通訊要求，提出了基于RTC規(guī)范的機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)組件化模型 RDS-RTC，簡化了組件狀態(tài)變遷關(guān)系和

4、其所支持的數(shù)據(jù)類型，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該組件化模型可以提高組件的執(zhí)行效率和實(shí)時性等性能。
　?。?）通過調(diào)研和分析現(xiàn)有仿真平臺中所采用的三維模型技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種主要針對自建機(jī)器人模型的簡化方法，其避免了復(fù)雜算法的計(jì)算，并能夠顯著提高模型的簡化程度、增加模型的加載數(shù)量和縮短模型的平均加載時間。針對關(guān)節(jié)型機(jī)器人的三維場景圖具有樹形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了基于Java3D的機(jī)器人參數(shù)化虛擬裝配（PVA）方法，并以XML格式文件進(jìn)行規(guī)

5、范和保存。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述方法的有效性和實(shí)用性。
　　（3）引入了旋量理論對關(guān)節(jié)型機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，并采用迭代方法的實(shí)現(xiàn)，使所建立的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和逆動力學(xué)模型盡可能通用并且具有較低的計(jì)算復(fù)雜度。重點(diǎn)研究了在機(jī)器人控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動器選型等方面起到非常重要作用的逆動力學(xué)分析與控制問題，設(shè)計(jì)了基于RNEA的閉環(huán)逆動力學(xué)控制器，并利用RDS-RTC模型封裝成控制器組件，進(jìn)行了有關(guān)的對比實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)

6、的逆動力學(xué)控制器具有較優(yōu)越的軌跡控制性能。
　?。?）提出了基于RTM中間件技術(shù)的分布式、可擴(kuò)展的關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)層次架構(gòu)，包括初級抽象層、通訊層、高級抽象層和應(yīng)用層等，并研究了與其相關(guān)的建模、實(shí)現(xiàn)和集成方法。通過以 Motoman-UPJ六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人分別在關(guān)節(jié)空間和工作空間的軌跡控制情況下的動力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了所開發(fā)的機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)能夠真實(shí)反映實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動特性，并且具有較好的位置跟隨精度，同時也

7、進(jìn)一步驗(yàn)證了該關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)架構(gòu)的有效性、可重用性和可擴(kuò)展性。
　　（5）針對面向類ITER D型腔維護(hù)的多自由度遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，綜合應(yīng)用上述各方法，搭建了面向類ITER D型腔的遠(yuǎn)程操作維護(hù)機(jī)器人的動力學(xué)仿真系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)平臺，通過大量的仿真和實(shí)驗(yàn)對比研究，驗(yàn)證了上述各方法以及本文所提出的關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)的有效性。
　　通過使用本文所提出的基于中間件技術(shù)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一個分布式