柔性機器人水下運動探究論文

導語：柔性機器人水下運動探究論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要本文以柔性機器人水下環(huán)境中的柔順運動為研究對象，建立了柔性機器人水下運動的動力學模型。并運用VC++6.0和Matlab7.0進行仿真，結果顯示了柔性機器人在水下環(huán)境中良好的運動學特性。

關鍵詞柔性機器人；水下機器人；仿真

柔性機器人與剛性機器人相比，柔性機器人具有可實現(xiàn)高速操作的能力、較高的負載自重比、較低的能耗和較低的生產成本以及具有更大的工作空間等優(yōu)點。但是由于柔性機器人具有彈性變形，因此柔性機器人是一個非常復雜的動力學系統(tǒng)，其動力學方程具有高度非線性、強耦合以及時變等的特點。前期柔性機器人研究更多的是考慮如何消除或者主動控制由于高速輕質結構而產生的振動，而如何主動利用柔性機器人的結構柔性是最新研究的方向。

本文以在水下環(huán)境利用結構柔性實現(xiàn)柔順運動為研究對象，對柔性機器人水下運動進行了動力學分析和建模。并用VC++6.0編制了相應的仿真建模軟件，仿真結果在Matlab下進行了可視化輸出。柔性機器人在水下運動的研究，對于開發(fā)海底探測機器人、軍用水下機器人和醫(yī)療用機器人等具有通用的借鑒意義。

1仿真假設條件

柔性機器人在水下運動過程中，經常會發(fā)生運動狀態(tài)的非連續(xù)變化。比如，運動過程中碰撞到海床，系統(tǒng)運動狀態(tài)會發(fā)生突變，物理過程非常復雜，這無疑增加了系統(tǒng)動力學響應的復雜性，并對系統(tǒng)的控制提出了更高的要求。

為簡化問題，在研究中采用以下幾條假設：

1）假設所有的作用力都限制在一個平面內；

2）假設柔性機器人運動過程中不會碰到海床和其他物體。

2動力學模型

本文把柔性機器人本體劃分為20個分段，每個分段的質量集中分布在頂點上，頂點面積為0，除第1對頂點和第20對頂點外，其余頂點均為兩相鄰分段共有，頂點之間采用的是彈性連接（見圖1）。柔性機器人模型總長度為240mm，尾端寬度15mm，首端寬度1mm。假設垂直于紙面方向的第三個維度的尺寸與寬度相等，并假設在整個仿真過程中的值保持不變。

圖1柔性機器人模型

作用在柔性機器人上的力有以下5個：

驅動力，重力，浮力，運動過程中受到水的阻力，機器人自身對本體形變的約束力。

根據牛頓第二定律推導出其運動學方程：

本文取豎直向下和水平向右為正方向。

是一個對角線矩陣，對角線上的元素是機器人質量集中分布的點。其形式為

形式為：是頂點的位置向量。

分段的驅動力可通過下面的公式計算：，其中代表柔性機器人分段在驅動力、約束力均為0的狀態(tài)下的長度，系數的單位是。柔性機器人分段在主動產生變形的情況下的彈性系數為，在受外力作用產生形變所體現(xiàn)的彈性系數為，、的單位均為。虎克定律的變形形式被稱為硬度（Curtinetal.2000），主動硬度和被動硬度可以用來計算彈性系數，本文取，柔性機器人首尾方向：

，，

柔性機器人寬度方向：

，

。

，

。

運動特性參數：

，

其中，。

重力，其中機器人的密度取1,042，柔性機器人的體積，重力加速度=9.8，整個機器人的體積分散到劃分的20個分段，各分段的質量集中分布在其4個實心頂點上。

浮力，取1,022，方向豎直向上結果乘以-1。

水的阻力可分解為法向力和切向力，在穩(wěn)流狀態(tài)下分別表示為（Volge1981）：

，

。

其中表示分段沿垂直于方向在平面上的投影面積，表示分段表面積，、分別代表分段速度的法向和切向分量。阻力系數、可以同過雷諾數計算出來，

，

。

在估計和的過程中，把每個形狀復雜的分段近似為圓臺，，，代表分段的有效半徑，代表分段長度。法向，切向，動力粘性。

機器人對本體形變的約束力，其中

約束力方程為，式中表示第個分段和第個分段之間的面積，在仿真過程中不發(fā)生變化。是矩陣的元素，矩陣是位置向量和面積向量之間的轉換矩陣。方程兩邊同時對時間求導，得

，，

由于

，

故，

等式左邊第一項

、之間為線性關系，故為常量，

，設，

，

，

，

，

。

3仿真

3.1動力學仿真計算程序

動力學仿真程序流程圖如圖2所示。

仿真計算程序完成了水下環(huán)境利用結構柔性實現(xiàn)柔順運動過程的計算。仿真程序開發(fā)環(huán)境為VisualC++6.0，采用模塊化設計方法，由參數讀入模塊、恒力計算模塊、變力計算模塊、力合成模塊和M文件輸出模塊等5大模塊組成。參數讀入模塊負責完成各模塊的初始化，設置柔性機器人的尺寸、位置和速度等參數，完成對機器人初始狀態(tài)的設置。恒力計算模塊計算重力、浮力、變力計算模塊計算驅動力、水的阻力和約束力，力合成模塊計算機器人的受力狀態(tài)。M文件輸出模塊根據以上模塊的計算結果，輸出標準的M文件。

3.2仿真結果的可視化輸出

Matlab由于其繪圖功能強大，較之VC其語更為簡潔明了，并且生成的圖形可輕松實現(xiàn)多種功能，諸如圖形添加文字說明、縮放、旋轉、坐標軸標注、曲線說明等等，這些若由VC來實現(xiàn)將極為復雜。因此，可視化輸出部分在Matlab環(huán)境下完成。

圖3.柔性機器人初始狀態(tài)在平面上的投影

圖4.柔性機器人運動目標狀態(tài)

圖5彈性桿連接柔性機器人運動軌跡

4結論

通過仿真實現(xiàn)了柔性機器人在水下環(huán)境中主動柔順運動，具有非常優(yōu)越的運動學性能，對于開發(fā)新型機器人具有一些有益的借鑒意義。

系統(tǒng)等.

參考文獻:

[1]歸彤,原培章,趙明揚等.仿象鼻并串聯(lián)機構回避障礙“鉆洞”的研究[J].機械工程學報,1996,32(6):26-30.

[2]YoramYekutieli,RoniSagiv-Zohar,RanitAharonovetal.ADynamicModeloftheOctopusArm.I.BiomechanicsoftheOctopusReachingMovement[J].Neurophysiol94:1443-1458,2005.

[3]路同浚.,栗波,吳平川等.脊骨式機器人柔性臂機構的研究[J].高技術通訊,1995,5,27-30.

[4]潘孝勇,姜偉,楊繼隆.VisualC++與Matlab的混合編程[J].計算機仿真,2004,21(3):140-143.

[5]李慶云,劉永紅,楊毅.仿蚯蚓打孔機器人的仿真系統(tǒng)[J].計算機工程,2001,27(5):13-14.

[6]飛思科技產品研發(fā)中心.MATLAB7基礎與提高[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.