仿尺蠖攀爬机器人的关键技术研究

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1、 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 仿尺蠖攀爬机器人的关键技术研究 硕士研究生 ：高 爽 指 导 教 师 ：姚建均 教 授 学科、专业 ：机械设计及理论 论文主审人 ：黄国权 教 授 哈尔滨工程大学 2015 年 3 月 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 仿尺蠖攀爬机器人的关键技术研究 硕 士 研 究 生硕 士 研 究 生 ：高 爽 指导教师指导教师 ：姚建均 教授 学位级别学位级别 ：工学硕士 学 科 、 专 业学 科 、 专 业 ：机械设计及理论 所在单位所在单位 ：机电工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 ：2015

2、年 01 月 08 日 论 文 答 辩 日 期论 文 答 辩 日 期 ：2015 年 03 月 07 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 ：哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng Key Technology Research of an Inchworm-like Climbing Robot Candidate: Gao Shuang Supervisor: Prof. Yao Jianjun Academic Degree Applied for: Master of

3、Engineering Specialty: Mechanical Design and Theory Date of Submission: Jan. 08, 2015 Date of Oral Examination: Mar.07, 2015 University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文

4、的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日期： 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进 行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的 全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一 署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论

5、文待解密后适用本声明。 本论文（在授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工 程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字）： 导师（签字）： 日期： 年 月 日 年 月 日 仿尺蠖攀爬机器人的关键技术研究 摘 要 随着国家现代化建设的快速推进以及城市绿化建设的发展，机器人将在农林业，建 筑业等领域得到更广泛的应用。然而，在这些领域内，很多作业是需要在高空条件下完 成的，其工作条件恶劣，环境复杂，且劳动强度大，工作时间长。长期以来开发一种攀 爬机器人代替人类从事高空作业一直是国内外研究学者的一个课题。 本文以尺蠖为仿生 原型，设计了一种仿尺蠖攀爬机器人，并针对该机器人从结

6、构设计、运动学和动力学、 轨迹规划等方面进行了研究。 针对仿尺蠖攀爬机器人的结构设计问题，首先研究了尺蠖的生物特征及其攀爬机 理，之后基于运动仿生原理抽象出其运动构型，并对其步态进行了分析。然后确定了机 器人的结构设计准则，合理地选择了驱动方式，并对其躯干及抓取机构进行了具体的设 计，最后利用 Pro/E 软件建立了仿尺蠖攀爬机器人的三维模型。 针对仿尺蠖攀爬机器人，对其机构模型进行了简化并建立了世界坐标系、局部坐标 系和广义坐标系，应用旋量理论对其进行正向和逆向运动学分析，并利用 MATLAB 软 件对其逆运动学进行了数值计算； 采用基于旋量理论的拉格朗日方法建立了仿尺蠖攀爬 机器人的动力学

7、模型，并对其进行了数值仿真与分析。 针对仿尺蠖攀爬机器人的轨迹规划问题，以机器人树木分枝间攀爬过渡步态为例， 在对其步态分析的基础上，确定了机器人的几何路径，并将路径点以关节角度表示，采 用 3-5-3 多项式插值函数拟合运动轨迹。最后以时间最短为优化目标，采用量子行为粒 子群优化算法对其树木分枝间攀爬过渡步态进行了优化仿真分析。 通过虚拟样机技术， 对已规划好的树木分枝间攀爬过渡步态的关节空间运动轨迹进 行了仿真实验。 分别采用 ADAMS 与 Simulink 仿真软件完成仿尺蠖攀爬机器人动力学模 型与控制模型的建立，再利用 ADAMS 与 MATLAB 之间的接口模块，完成了基于 ADA

8、MS 与 MATLAB 的树木分枝间攀爬过渡步态的联合仿真。仿真结果验证了仿尺蠖 攀爬机器人结构的合理性以及文中所采用的轨迹规划方法的可行性。 本文针对仿尺蠖攀爬机器人的相关研究与理论分析对其在实际工程中的应用有一 定的参考价值。 关键词： 仿尺蠖攀爬机器人；旋量理论；运动学；动力学；轨迹规划 哈尔滨工程大学硕士学位论文 仿尺蠖攀爬机器人的关键技术研究 ABSTRACT With the fast development of modern construction and urban green construction, robots will have wider application

9、s in the fields of agriculture, forestry and construction, etc. In these domains, a lot of assignments are required to be completed under high altitude condition. Consequently, workers have to face the problem of high-altitude dangerous work, harsh and complex environments, and labor-intensive, as w

10、ell as long working hours. For a long time, how to develop a climbing robot to replace humans in high altitude work is a subject of researchers at home and abroad. In this paper, based on the inchworm biological bionic prototype, an inchworm-like climbing robot is developed; its structure design, ki

11、nematics and dynamics analysis, and trajectory planning are presented. For the structure design of inchworm-like climbing robot, firstly, the biological characteristics and climbing mechanism of inchworm are studied; the bone structure is abstracted and the gait is analyzed based on the principle of

12、 motion bionic. Afterwards, the structural design criterion is determined, the drive way is reasonably selected, and the concrete structures of the trunk and grab mechanism are designed in detail. Finally, the three-dimensional model of the robot is built by using the Pro/E software. For the inchwor

13、m-like climbing robot, the mechanism model is simplified, and on the basis, the global coordinate system, the local coordinate system and the generalized coordinate system are established. The forward and inverse kinematics is analyzed by screw theory, and the numerical solution of its inverse kinem

14、atics is solved by MATLAB program. Based on screw theory, the dynamic model of the robot is established through Lagrange method, and its numerical simulation and analysis is made by using MATLAB software. For the trajectory planning problem of the inchworm-like climbing robot, taking the transitiona

15、l gait of the robot climbing between tree branches for example, the geometric path is determined and path point is expressed by joint angles based on the analysis of its gait. Then applying the 3-5-3 polynomial interpolation function to fit the motion trajectory, and setting the shortest time as the

16、 optimization goal, optimal analysis and emulation of transitional gaits of the robot climbing between tree branches is carried out by Quantum-behaved Particle Swarm Optimization. 哈尔滨工程大学硕士学位论文 According to the planned joint space trajectory of the transitional gait between tree branches, the climbi

17、ng simulation experiment is performed by using the virtual prototype technology. Dynamics and control model of the inchworm-like climbing robot are established by using ADAMS and Simulink software respectively, through their data interface module, achieving the co-simulation of the transitional gait

18、 between tree branches. Simulation results strongly show that the robot mechanism is feasible, the trajectory planning is reasonable. The related research and theoretical analysis of the inchworm-like climbing robot have a certain reference value for the application in the actual project. Key words：

19、inchworm-like climbing robot; screw theory; kinematics; dynamics; trajectory planning 仿尺蠖攀爬机器人的关键技术研究 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题的背景及研究意义 1 1.2 仿生机器人的研究概述 2 1.3 国内外攀爬机器人的研究现状 4 1.3.1 国外攀爬机器人的研究现状 4 1.3.2 国内攀爬机器人的研究现状 7 1.4 本课题的主要研究内容 10 第 2 章 仿尺蠖攀爬机器人攀爬机理分析及其结构设计 11 2.1 引言 11 2.2 尺蠖的生物特征及攀爬机理分析 11 2.2.1 尺

20、蠖的生物特征 11 2.2.2 尺蠖的攀爬机理分析 12 2.3 仿尺蠖攀爬机器人的步态分析 14 2.3.1 仿尺蠖步态分析 14 2.3.2 树木分枝间攀爬过渡步态分析 15 2.4 仿尺蠖攀爬机器人的本体结构设计 16 2.4.1 仿尺蠖攀爬机器人的结构设计准则 16 2.4.2 驱动方式的选择 17 2.4.3 躯干结构的设计 18 2.4.4 抓取机构的设计 19 2.4.5 仿尺蠖攀爬机器人的机械本体设计 21 2.5 本章小结 22 第 3 章 仿尺蠖攀爬机器人运动学及动力学分析 23 3.1 引言 23 3.2 基于旋量理论的仿尺蠖攀爬机器人运动学分析 23 3.2.1 机构简

21、化模型及坐标系的建立 23 3.2.2 仿尺蠖攀爬机器人的正运动学分析 24 3.2.3 仿尺蠖攀爬机器人的逆运动学分析 27 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3.2.4 逆运动学求解数值验算 31 3.3 基于旋量理论的仿尺蠖攀爬机器人的动力学分析 32 3.3.1 基于旋量理论的拉格朗日动力学方程 32 3.3.2 构件物体雅可比矩阵的计算 34 3.3.3 仿尺蠖攀爬机器人的动力学方程 35 3.3.4 动力学数值仿真与分析 37 3.4 本章小结 38 第 4 章 仿尺蠖攀爬机器人时间最优轨迹规划 39 4.1 引言 39 4.2 机器人 PTP 运动轨迹规划方法 39 4.3 量子行为粒

22、子群优化（QPSO）算法 41 4.4 时间最优轨迹规划问题 42 4.4.1 路径点参数的确定 43 4.4.2 关节轨迹的生成 45 4.4.3 时间最短的优化模型 47 4.5 基于 QPSO 的时间最优轨迹规划的数值仿真 47 4.6 本章小结 50 第 5 章 仿尺蠖攀爬机器人的联合仿真研究 51 5.1 引言 51 5.2 ADAMS 和 MATLAB 联合仿真流程 51 5.3 仿尺蠖攀爬机器人机械系统的建立 52 5.4 仿尺蠖攀爬机器人控制系统的建立 53 5.4.1 模糊 PID 控制算法 55 5.4.2 基于模糊 PID 的关节位置控制器设计 55 5.5 仿尺蠖攀爬机

23、器人的联合仿真分析 59 5.6 本章小结 61 结 论 63 参考文献 65 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 71 致 谢 72 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的背景及研究意义 随着社会的进步，经济的发展，社会分工变得越来越明确，特别是在很多成熟的产 业中，劳动者的工作任务十分单一，甚至有些人每天只负责拧紧螺母，有些人只负责接 线头。类似于摩登时代这部影片中所演绎的那样，在社会中，人们时常会发现自身 被不断地异化，甚至受到社会分工的影响开始产生各种职业病，于是劳动者们幻想有一 种机器可以代替自己来完成这些简单重复的工作。针对该方面的相关研究，英国的英格 伯格

24、与德沃尔较其他人率先取得了突破。 他们在 20 世纪 50 年代开发了一种类似于人类 手臂的机械手，并使得该机械手在实践中得到了成功的应用。到了 80 年代，英格伯格 还声称 1： “我要使机器人擦地板、做饭、洗刷我的汽车和检查安全” 。事实也证明，随 着科技的发展，英格伯格的预言也已成真。 随着社会的发展与科学的进步，在许多领域都出现了机器人的身影，这些机器人在 各自的领域发挥着极其重要的作用。在工业领域，机器人可以代替劳动者完成各种危险 复杂的工作，减轻劳动者的负担，保证劳动者的安全并提高工作效率；在探测领域，机 器人可以深入到人类无法进入的空间或存在安全隐患的场所执行任务；在服务领域，机

25、 器人可以代替服务人员进行各种服务工作， 如医疗机器人、 清洁机器人等； 在军事领域， 军用机器人能够在远程控制下进行侦查、攻击、救护等行动，从而减少人员伤亡；在海 洋开发领域，机器人可以进行深海打捞、海底设施维修、海下电缆铺设等工作 2。与此 同时，随着国家现代化建设与城市绿化建设，农林业、建筑业等领域也将为机器人提供 更广阔的应用空间。在这些领域中，很多工作需要在高空中进行，这就导致劳动者面临 很大的工作压力，如图 1.1 所示。对于这些需要在高空中完成的工作，有些存在安全隐 患，如建筑外墙表面的喷漆工作；有些工作劳动强度大、时间长，比如高楼玻璃的清洗， 果实的采摘等；有些高空作业则不适合

26、劳动者亲自去完成，如工作环境恶劣或者工作性 质枯燥重复的情况。对于这些劳动者不好完成或者根本无法完成的任务，攀爬机器人就 成了再合适不过的选择了 3,4。 本课题旨在依据仿生学原理，根据生物尺蠖的攀爬动作，研发出一种新型的、结构 简单、成本低、操作简便的适用于树木或杆状建筑物的攀爬机器人，用以替代人类进行 高空作业，并对其进行相关理论的研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 图 1.1 典型的高空作业 1.2 仿生机器人的研究概述 自然界的生物形态各异， 在自然选择与优胜劣汰的长期作用下， 那些能够适应环境， 生命力顽强的物种最终得以在自然界中存活下来。对于这些存活下来的生物，其身上自 然有很

27、多优点值得人们学习，通过对它们身上优点的发掘与探索，人们可以从中获得大 量的信息从而为人类带来巨大的经济效益 5。伴随着人们对自然界生物的探索，上世纪 中期逐渐形成了一门模仿生物的学科，即仿生学。在仿生学中，学者们将生物与工程紧 密地融合在一起，通过对生物体身上各种特征及习性的研究与模仿，从中寻找灵感与规 律为实际工程技术提供借鉴与指导。 当今，仿生学越来越受到人们的关注并出现在很多领域当中，其与机器人学的结合 更是受到国内外专家与学者的重视。日本著名的机器人领域科学家，东京工业大学教授 广濑茂先生曾经说过， 与自然界生物紧密联系在一起， 模拟其结构与性能的仿生机器人， 将引领未来机器人的发展

28、与进步。在大自然中，通过自然选择存活下来的生物，必然具 有很强的生存能力且对周边的自然环境有很大的适应性。因此，在机器人研究与探索的 过程中，应该学会借鉴自然界生物的优点以便进一步促进机器人技术的发展 6,7。为了从 生物身上得到借鉴，国内外学者做了大量的科学研究与尝试，最终获得了很多具有实际 意义的成果与进步。通过对国内外学者获得的成果进行分析与总结，可知仿生机器人存 在很多分支，种类繁多，具体划分如图 1.2 所示 8。 第 1 章 绪论 3 图 1.2 仿生机器人的分类 其中，根据运动机理的不同，运动仿生可以进一步的划分为不同的类别。接下来， 对运动仿生类机器人进行详细的描述。由图 1.

29、2 可知，运动仿生机器人可分为位移运动 仿生和执行运动仿生两大类。针对位移运动仿生，通常可以分为三类： （1）水中生物运动仿生 鱼是水中最常见的生物之一，其生存能力强，适应性好，游动具有快速、灵活、机 敏等特点，所以备受国内外仿生学者的关注。为此，仿生鱼应运而生成为比较常见的， 具有代表性的水中生物仿生体。随着仿生鱼技术的发展，其应用已经涉及到海洋勘探、 军事侦察、深海作业以及娱乐等领域 9,10。 （2）陆地生物运动仿生 在众多陆地机器人的研究中，步足式机器人的起步较早，伴随着机器人产业与技术 的快速发展，各国学者对其的探索与研究显著增加 9。最为典型的步足式机器人是仿人 哈尔滨工程大学硕士

30、学位论文 4 机器人，它通过模拟人类的行走步态实现在不平坦、未知环境中的行走，且动作灵活、 适应能力强，广泛用于军事、航天及工业等领域 10。跳跃机器人是基于对跳跃生物跳跃 特性与结构原理的仿生所研制的一种机器人， 它以其突出的越障能力和地形适应能力而 广泛用于结构复杂的环境中 11。蛇是人们常见的爬行动物，其独特的运动特点使其成为 爬行机器人的典型模仿对象。蛇形机器人 12,13有很多明显的优点，即运动灵活、适应性 强、结构易模块化等。除此之外，它还具有广泛的适应范围，能够实现在诸如星球探测、 军事侦察和灾难救援等非结构环境和极限环境下的自主作业。 （3）空中生物运动仿生 飞行一直是人类非常

31、向往的运动， 空中生物运动仿生主要模拟的就是生物在空中的 飞行动作。由于空中飞行具有速度快、地域广阔，视野清晰等特点，飞行机器人已越来 越多地受到国内外学者的追捧。目前国内外学者广泛关注微型仿昆飞行机器人的研制， 由于其体积小、重量轻、成本低等特点，广泛用于民用、军事和灾难求助等领域 9。 总而言之，伴随着科技的进步，社会的发展，仿生机器人的应用领域变得越来越广 泛，人们也迫切需要机器人来帮助他们完成那些繁重复杂或者存在安全隐患的工作。仿 生机器人之所以受到各行各业的欢迎，主要是因为其具有高度智能化、人性化、功能多 样及易于复制等优点，这也就意味着仿生机器人必将成为当今机器人领域的研究热点，

32、仿生机器人的先天优势也将在其技术不断完善与成熟的情况下更好地为人类服务 7,10。 1.3 国内外攀爬机器人的研究现状 攀爬机器人是机器人领域中的一个新兴范畴，但其发展速度很快，学者们对其的研 究也在不断深入。伴随着机器人技术的发展，攀爬机器人研究成功的案例也屡见不鲜。 对于攀爬机器人而言，其种类有很多，但是都没有一个明确的分类定义。一般情况下， 攀爬机器人按动力来源划分，有液压驱动式、气压驱动式与电机驱动式；按攀爬机器人 的运动形式划分，有多腿式、滑动框架式、轮式、履带式和关节式；按照机器人所攀爬 的介质不同可分为吸附式、环抱式、钩爪式、夹持式。 1.3.1 国外攀爬机器人的研究现状 美国的

33、 Dartmouth 大学研制了一款具有钢网结构的尺蠖攀爬机器人 14,15， 如图 1.3 所 示。该机器人的本体结构由四个连杆组成，每一个连杆都由伺服电机直接驱动。第一个 连杆和最后一个连杆被认为是机器人的行走足，足底各安装两个电磁吸盘作为吸附机 第 1 章 绪论 5 构。机器人重 455g，行走速度为 0.25m/min。当机器人完全展开时长度为 252mm，高度 为 52mm；当机器人处于完全收缩的状态时，长度和高度分别变为 180mm 和 120mm。 这款机器人优缺点并存，其优点为结构简单、质量轻且运动灵活性较高，与此同时，它 也受到自身结构不紧凑，且只能在具有导磁性能的材料表面进

34、行运动的缺点的限制。 图 1.3 Inchworm Robot WOODY-1 爬树机器人 16是由日本早稻田大学成功研制的，这款机器人曾经在爱知 国际博览会上进行了展示，其结构如图 1.4（a）所示。该机器人的夹持机构为两个带有 板簧的环形夹持器，躯干为一个丝杠螺母运动机构，当一端的环抱住树干，另一端的环 松开，由电机驱动丝杠螺母机构，两个环的交替运动使得机器人沿着树干上下移动。随 后该大学对其进行了改进， 研制出了WOODY-2爬树机器人， 如图1.4 （b） 所示。 WOODY-2 较 WOODY-1 相比，其夹持机构有所简化，且移动方式由原来的电机驱动丝杠螺母线性 移动方式变换为多关节

35、协调运动的方式。 （a）WOODY-1 机器人样机 （b）WOODY-2 机器人样机 图 1.4 WOODY 机器人样机 西班牙埃尔切的米格尔埃尔南德斯大学成功研发了一种攀爬机器人 17-19，其设计主 要基于 Stewart-Gough 并联平台，如图 1.5 所示。该机器人的夹持机构为两个大环，它 们与六个执行机构相连。每个环上安装了四个夹紧装置，其主要功能是实现对树干的径 向夹紧与松开。执行机构下端通过万向节与基座相连，上端通过球铰链与上平台连接， 这样当一端夹紧时，另一端可实现机器人六自由度的定位与定向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 图 1.5 CPR 机器人结构示意图与样机 MIT 的 Yeoreum Yoon 和 Daniela Rus 于 2007 年设计了一款可在三维桁架上攀爬的 机器人 Shady3D 20,21，如图 1.6 所示，它由一个连杆臂和两个旋转夹持器组成，连杆臂分 为两部分，中间用一个旋转接头连接。该机器人是由塑料或 PCB 板组成，长 250mm、 宽 80mm、高 133mm、重 1.34kg，在躯干部分设置了 3 个自由度，这 3 个自由度能够保 证机器人在平面任意角度桁架间完成攀爬过渡动作。但该机器人存在一定的局限性，其 行走动作受步距值的约束