一种蛇形机器人的直线蜿蜒运动规划_刘福朝
蛇形机器人的转弯和侧移运动研究
第４０卷第１０期机械工程学报ｖ０１４０Ｎｏ．１０２００４年ｌＯ月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ０ｃｔ．２０Ｏ４ 蛇形机器人的转弯和侧移运动研究＋ 叶长龙 （中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳１１００１６） 马书根 （日本国立茨城大学工学部茨城３１６—８５１１日本） 李斌王越超 ｆ中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳１１００１６） 摘要：介绍了沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人机械结构和控制结构。在分析蛇形曲线的基础上，提出幅值调整法、相位调整法和侧移调整法三种新方法，来处理蛇形机器人侧向滑动带来的方位偏转和完成蛇形机器人自主转弯控制，并给出几种方法的量化关系，建立动力学仿真模型进行了运动仿真。幅值调整法虽然使蛇形机器人转弯角度受到限制但却保证了运动的连续性和稳定性。相位调整法能够使蛇形机器人准确地完成转弯运动。侧移调整法能够实现蛇形机器人前进过程中的侧向位置调整，同时保证运动方向的准确性。将上述方法应用到蛇形机器人的控制中，用仿真和试验验证了以上方法的有效性。 关键词：蛇形机器人蛇形曲线幅值调整法相位调整法侧移 中图分类号：ＴＰ２４ 方法验证了此规划。 ０前言 １蛇形机器人结构 蛇形机器人的研究开创了～个新的仿生机器人 研究领域。自２０世纪７０年代日本的第一条蛇形机沈阳自动化所的蛇形机器人在机构上采用模块器人问世，各国的许多研究人员开始了该类机器人化设计（如图１所示），每个模块具有自由度，多个模的研究，提出大量的相关理论‘１嘲，制作了多台样机。块按一定方式连接可以组装成三维蛇形机器人（如近几年，我国科技工作者也开始研究蛇形机器人【－“。图２所示）。在控制上，选用ｃＡＮ总线的控制方式实蛇是一种无肢动物，依靠细长身体的蜿蜒运动现一点对多点的控制，满足实时控制的需要（如图３推动自身高速运动。根据蛇的运动原理制作的蛇形所示）。每个模块都装有一片嵌入式１６位单片机，各机器人，可以克服轮式机器人和腿式机器人的缺点，个单片机独立处理关节的运动信息和传感信息，为能够在多种环境中运动。例如：在草地中爬行，在机器人的分布式控制提供有利条件。蛇形机器人头水中游泳，在凸凹不平的地面运动，在沼泽中前进；部安装有ＧＰｓ定位系统、无线通信系统和摄像头，作为操作臂完成各种危险作业，进入狭小空间完成向主控计算机提供位置信息、通信和图像信息。蛇修补和抢救工作。而且蛇形机器人机构简单，模块形机器人尾部安装有电池，为蛇形机器人运动提供 ｍｉｎ。目前，化设计能够实现可重构。另外，蛇形机器人的节律能源，该能源可供机器人至少运动４０ 运动为其控制提供了有利条件。沈阳自动化所已制所有模块实现了集成。 作出两代蛇形机器人功能样机，在设计和试验中积 累了很多宝贵经验。 首先介绍蛇形机器人结构，包括机械结构和控 制结构。然后，说明蛇形曲线，并在此基础上，提 出有关蛇形机器人转弯的幅值调整法和相位调整 法，同时提出了侧移运动的相关规划。对提出的几 种运动方法作了量化分析。最后，用仿真和试验的 ＋国家８６３高科技资助项目ｆ２００１从４２２３６００１。２０∞０９０１收到初稿 图１蛇形机器人机构２００４０４２０收到修改稿 万方数据
蛇形机器人使用说明书
UP-SolidSnake 蛇形机器人 教学实验系统 使用说明书
北京博创科技 2005 年 12 月
前言
本说明书以仿生机器蛇为背景，从项目开发的角度，来讲述机器蛇项目设 计过程中所涉及的技术知识， 更重要的是通过介绍机器蛇的各种设计过程，讲述 典型机电一体化项目开发的有关知识。 我们给机器蛇起了一个有趣的名字 Solid Snake（刚体蛇） ，即是以机械结 构等刚体构建柔性的机器蛇。 本机器蛇说明书，希望能够达到以下几点目的： 通 过 机 器 蛇 介 绍 ， 大 家 能 够 对 SolidSnake 有 个 总 体 了 解 ， 并 清 楚 SolidSnake 的结构设计、运动研究、控制系统等方面的内容。 通过机器蛇使用说明，大家能够组装制作机器蛇，并能够操纵机器蛇完成 一定形式的运动，另外，能够通过预留的接口，自己编程控制机器蛇。
目录 §1 机器蛇介绍
研究概况； 结构设计； 运动研究； 控制系统设计
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4
§2
机器蛇使用说明
§2.1 装配说明； §2.2 控制机器蛇运动； §2.3 编程控制机器蛇；
§1
机器蛇介绍；
仿生机器人的研究是目前机器人领域里比较活跃的一个方向， 目前已有各种 各样的仿生机器人面世，像机械昆虫、机器鸟、机器鱼、机械蟹等等……。生物 界中蛇是一种极为特殊的生物，它的运动形式非常的特别。蛇没有脚，他怎么就 能向前“走”了呢？这个看似简单的问题，从古代便吸引了众多人的注意。亚里士 多德就曾经在他关于动物运动的文章中讨论过蛇向前运动的原因。但直到 20 世 纪中期以前，许多人的理论都很偏驳，他们认为蛇是靠他们的“脚”（鳞片）来向 前运动的。 近 20 年来。 随着机器人学兴起， 特别是仿生机器人的活跃， 蛇运动的研究， 机器蛇的研制,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破， 矿井和废墟中探测营救， 管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高 可靠性的领域有着广阔的应用前景。 另外，研究仿生机器人，特别是蛇形机器人的本身会有很大的乐趣，当你看 到刚体的金属或者塑料结构在控制下变得有柔顺而富有生命时， 那种喜悦是难以 言表的。 我们充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学 和摩擦学等的相关理论， 建立了蛇的行波运动学模型，并研制了自己的机器蛇样 机——SolidSnake，并利用 SolidSnake 实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧 滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。 SolidSnake 利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体， 每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方 向的自由度， 整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任 何方向弯曲的能力。 在电路设计上采用“分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制逻辑， 通过 RS232 总线通讯。上位机为 PC 机控制，PC 机可以控制主机，调用运动 模式库，实现对 solid snake- II 的高层控制；也可直接控制 solid snake 的各 个关节，实时的改变任意关节的状态，实现底层控制。
SolidSnake SOLID SNAKE 的主要技术参数： 参数 单元体长度 全长 直径 净重 值 110mm 0.98m 50mm 1kg
最大速度 平均功耗 8-10m/min 25W
蛇形模块化机器人产品及技术介绍
SolidSnake-II ——模块化机器蛇概述一、应用背景： 近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使蛇形机器人成为研究的亮点。 二、SolidSnake II 实验样机概述： SolidSnake II 结合了国内外蛇形机器人的发展现状，充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。在对蛇类运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器蛇运动的速率和运动方向的规律，并在实验中得到了验证。 三、solid snake – II 创新点详述 一）、模块化的机构设计： 采用模块化的机构设计，可以很快的 组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以 实现任意节数的组合，以适应不同的应用 场合。单元体模块组成部件有：两节壳体， 两个伺服电机，一块从机控制板。 机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉 即可对接一个单元体。 一个模块化单元体为一个正交 的关节，有两个正交方向的自由度， 在机械结构与控制结构上均自成一 体，通过总线与其他从机及主机通 讯。 标准配置的SolidSnake-II 带有 外接电池。但用户可以自行加装电池 到每个单元关节，以便无缆运行。
1单元--snake-robot-蛇形机器人
1单元snake robot 蛇形机器人 space station 太空站seem possible 看起来可能 be able to (do) = can 能够 the World Cup 世界杯 2单元 look for 寻找keep out 不让……进入 in the future 在未来，在将来pay for 付款 come true (梦想)成为现实Teen Talk 青少年论坛 go skating 去滑冰in style 时髦的，流行的 fall in love with…爱上out of style 过时的 hundreds of 好几百，许许多多all kinds of 各种，多种 be free 免费on the one hand (在)一方面 in 100 years (用于将来时) 一百年后on the other hand (在)另一方面be in high school 上中学as…as possible 尽可能…地 live alone 独自居住=as…as sb can go swimming 去游泳get on with…与…相处，进展 see sb do sth 看见某人做…have a hair cut 理发 over and over again 一次又一次part-time job 兼职工作 get bored 厌烦call sb up=ring sb up 打电话给…… space rocket 太空火箭on the phone 在通话 electric toothbrush 电动牙刷What’s the matter (with)? 怎么了？computer programmer 电脑程序员What’s wrong (with)? 怎么了？live to be 200 years old 活到200岁the same as…与……同样的（书上重要表达）complain about 抱怨…… will be…将成为……argue with…与……争论 study on computer 在电脑上学习surprise sb 使…惊奇 as a reporter 作为一名记者borrow from…向……借 keep a pet 养一只宠物lend to…把…借给… during the week 在一周期间find out 发现，找出 wear a suit (uniform) 穿西装（制服）except me 除了我 at the weekend 在周末do wrong 做错事 on vacation 在假期under too much pressure 承受太多压力 predict the future 预测未来take part in 参加 the head of a company 公司负责人compare …with…把…和…比较need to do sth 需要做某事（书上重要表达） job interview 求职面视enough money 足够的钱 science fiction movie 科幻电影write sb a letter 给某人写信 just like…就像……a ball game 一场球赛 help with +名词帮助做某事talk about…谈论…话题 make sb do sth 使某人做……say sorry to…向…说对不起 It’s easy for sb to do sth 做某事很简单have a bake sale 卖烤点wake up 醒来buy….for…. 为…买… get a tutor 请家教get out of the shower 洗完澡 be popular at school 在学校受欢迎sleep late 睡懒觉
MATLAB机器人仿真程序
附录 MATLAB 机器人工具箱仿真程序： 1）运动学仿真模型程序（Rob1.m） L1=link([pi/2 150 0 0]) L2=link([0 570 0 0]) L3=link([pi/2 130 0 0]) L4=link([-pi/2 0 0 640]) L5=link([pi/2 0 0 0]) L6=link([0 0 0 95]) r=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6}) https://www.wendangku.net/doc/10713326.html,=’MOTOMAN-UP6’ % 模型的名称 >>drivebot(r) 2）正运动学仿真程序（Rob2.m） L1=link([pi/2 150 0 0]) L2=link([0 570 0 0]) L3=link([pi/2 130 0 0]) L4=link([-pi/2 0 0 640]) L5=link([pi/2 0 0 0]) L6=link([0 0 0 95]) r=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6}) https://www.wendangku.net/doc/10713326.html,=’MOTOMAN-UP6’ t=[0:0.01:10];%产生时间向量 qA=[0 0 0 0 0 0 ]; %机械手初始关节角度 qAB=[-pi/2 -pi/3 0 pi/6 pi/3 pi/2 ];%机械手终止关节角度figure('Name','up6机器人正运动学仿真演示');%给仿真图像命名q=jtraj(qA,qAB,t);%生成关节运动轨迹 T=fkine(r,q);%正向运动学仿真函数 plot(r,q);%生成机器人的运动
figure('Name','up6机器人末端位移图'）subplot(3,1,1); plot(t, squeeze(T(1,4,:))); xlabel('Time (s)'); ylabel('X (m)'); subplot(3,1,2); plot(t, squeeze(T(2,4,:))); xlabel('Time (s)'); ylabel('Y (m)'); subplot(3,1,3); plot(t, squeeze(T(3,4,:))); xlabel('Time (s)'); ylabel('Z (m)'); x=squeeze(T(1,4,:)); y=squeeze(T(2,4,:)); z=squeeze(T(3,4,:)); figure('Name','up6机器人末端轨迹图'); plot3(x,y,z); 3）机器人各关节转动角度仿真程序：（Rob3.m）L1=link([pi/2 150 0 0 ]) L2=link([0 570 0 0]) L3=link([pi/2 130 0 0]) L4=link([-pi/2 0 0 640]) L5=link([pi/2 0 0 0 ]) L6=link([0 0 0 95]) r=robot({L1 L2 L3 L4 L5 L6}) https://www.wendangku.net/doc/10713326.html,='motoman-up6' t=[0:0.01:10]; qA=[0 0 0 0 0 0 ];
蛇形机器人论文
上海电力学院 本科毕业设计（论文） 题目：仿生机器蛇的设计与仿真 院系：电力与自动化工程学院 专业年级：测控技术与仪器 学生姓名：学号： 指导教师：
【摘要】 在仿生机械学中，模仿生物蛇而衍生的机器蛇将逐渐具备灵活的变形特征。具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，使得它可摹仿生物蛇的运动状态，在许多的领域具有广泛的应用前景。本文提出了一种类似正弦波形的7关节三动杆蛇形机器人结构，并对该机器人的步态进行了分析，对其前进的方式进行了数学建模设计，最后使用软件ADAMS2007进行运动的计算机建模和模拟仿真，通过仿真，验证了模型的步态过程与端点的轨迹曲线。为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论和仿真。 关键词：蛇形机器人；运动模拟；ADAMS建模仿真
【Abstract】 In simulation mechanics, snake-machine which derives from simulating biological snakes becomes more and more flexible. Snake-machine is a highly redundant robot which has more freedoms which is needed in space location and gestures than definite robot, thus it can simulate the movement of snake and has a better prospect: for example it can execute investigation missions、mine sweeping and searching. The variation of movement makes it has a better ability of adaption, every joint derived separately, it has a strong load capacity and easy maintenance. This article provides a structure of sinusoidal seven joints snake-machine, and gives a conclusion by using the software ADAMS2007 to execute the modeling of motion and simulation. This snake-machine gives theory and simulation before specific design and manufacturing. Key Words:Snake-like robot；Motion simulation；ADAMS Modeling and Simulation
仿生蛇形机器人的设计及研究
仿生蛇形机器人的设计及研究 摘要：对蛇的身体结构和运动形态进行了分析，掌握了蛇的运动模型，分析了蛇在蜿蜒运动过程中的受力情况。通过对蛇行运动的研究，结合结构设计、控制系统设计等，设计一条13关节的仿生机器蛇，实现蜿蜒前进、转弯、蜷缩、抬头等动作。并对仿生蛇的设计提出一些看法，结合实际，对其未来发展提出建议。关键词：蛇形机器人；结构设计；蜿蜒运动随着仿生学的发展，人们把目光对准了生物界，探索新的运动模式有了新的进展。蛇是无四肢动物中最庞大的一类，在几千年的进化历史中，它能进行多种运动以适应不同的生活环境（如沙漠、水池、陆地、树林等）。仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了。蛇形机器人可适应各种复杂地形的行走，如在战场扫雷、侦测、爆破、矿井和废墟中探测营救、管道维修以及外行星地表探测等[1]，其性能优于传统的行走机构，在许多领域具有非常广泛的应用前景。本文通过对蛇的运动方式进行分析并就仿生蛇的关节结构进行设计，提出系统控制方案。 1 蛇类运动研究在自然界的不同环境中，生存着不同种类的蛇，它们的运动方式也有所不同，大致可分为以下几种：(1)蜿蜒运动：蛇体摆动近似于正弦波的规律，依靠腹部蛇鳞与地面的摩擦作用产生推动力。蜿蜒运动时，蛇体作横向的波动，形成若干个波峰和波谷，在弯曲处的后边施力于地面，沿从头部到尾部方向传播，由地面的反作用实现运动。(2)伸缩运动：在蛇通过长直的狭窄通道时常采用这种运动方式。该运动可分为两个节拍，先以前部作支撑，收缩肌肉向前拉后部，再以后部作支撑，通过肌肉收缩向前推动前部。这种运动的效率比较低。(3)侧向移动：这种运动常见于生存在沙漠中的蛇类。运动中蛇腹始终都只有很小的部分与地面接触，而相邻接触部分之间的躯体是抬起的，分顺序接触地面，然后抬起，依次循环，产生一个侧向的运动。这种运动的效率比较高，能获得较大的加速度，适合在柔软的沙地运动。在以上运动方式中，最常见的是运动效率最高的蜿蜒运动，然后是伸缩运动，侧向运动比较少见。通过对蛇的运动分析可见，无论哪一种运动方式，都可以看成是一系列的波形传递，。YZ平面沿Y方向上下运动，实现伸缩运动；XY平面沿Y方向左右运动，实现蜿蜒运动；如果YZ平面和XY平面沿Y方向进行空间复合运动，就产生所谓的侧向移动[2]。 考虑仿生蛇设计的便利性，选择蜿蜒的运动方式，并假设以正弦波传递。可以知道在波形传递过程中各个关节相对旋转角度的变化，从而控制波形稳定地向前推进。蛇形机器人是一个多连杆系统，通过各相邻连杆的协调动作向前推进。Serpenoid[3]曲线己经被广泛应用到蛇形机器人上，以Serpenoid曲线为例对蛇形机器人的运动步态进行规划。Serpenoid是指一个穿过X-Y坐标系原点的曲线，如果满足以下条件，就可以被称为蜿蜒曲线：其中a、b、c三个参数将决定曲线的形状，通过改变Serpenoid曲线的这三个参数，既可以改变蜿蜒曲线的传播波型、传播幅度，也可以改变曲线的传播方向。由Serpenoid曲线的定义可得到N 关节组成的近似Serpenoid曲线蛇型机器人蜿蜒运动的角度。2 仿生蛇形机器人结构设计设计了仿生蛇形机器人三个部分的关节模型，分别是头部关节、驱动关节和尾部关节，并用计算机辅助设计软件UG NX7.0绘制出了各个关节的模型。蛇形机器人的加工材料有硬铝、PVC 塑料、ABS塑料、树脂等，考虑到机械加工性能、塑性、韧性、强硬度等，最终选定了光敏树脂。加工方法选择快速成型加工，其核心思想是离散堆积成型。运用激光快速成型技术，加上最适合该技术的光敏树脂材料，加工理想的关节实物[4]。2.1 仿生蛇形机器人驱动关节设计仿生蛇由13个关节串联而成，每个关节都具有一个独立的自由度，前3个关节(舵机11、12、8)负责蛇形机器人抬头和摇头动作，从第4个关节开始为驱动关节，通过关节(舵机)0、1、3、4、6、7、9、10相互配合完成蜿蜒运动，模拟蛇形曲线推动整个蛇形机器人身体的前进。关节(舵机)2、5完成转弯，蜷缩动作。图2所示即是运用UG NX7.0软件绘制的
蛇形机器人的研究与发展
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/10713326.html, 蛇形机器人的研究与发展 作者：谢哲东张添一 来源：《农业与技术》2017年第19期 摘要：随着仿生技术的不断进步，机器人领域的不断拓展，仿生机器人的研究逐渐成为 各位学者、专家关注的焦点，这也大大扩展了机器人的应用领域。本文阐述了蛇形机器人应用背景和发展现状，并根据当前国内外的研究现状对其展望了未来的发展趋势。 关键词：蛇形机器人；国内外发展；应用领域；发展趋势 中图分类号：TP24 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032031 引言 随着生物的不断进化，如今的生物都具有很强的运动能力和环境适应能力，这引起许多科学家的注意，而随着仿生学的不断进步，仿生机器人便应运而生。而生物蛇由于其细长的身体结构及特有的活动方式，具有很强的环境适应能力和在地面稳定运动的特点，在机器人领域中是特有的存在。它特有的优势使它拥有广阔的发展前景。 身体紧贴地面、降低重心的爬行运动模式使其运动具有较强的稳定性；通过身体的摆动与地面产生摩擦，从而获得前进动力的运动方式具有自主可调控的避障越障的能力；细长的身体和多种运动步态使其可以通过多种崎岖复杂的路段，甚至具有攀爬立柱的运动能力；由于蛇形机器人能够在人类难以到达的未知环境中工作，具有隐蔽性，增加安全系数，减少人力，减少因疲劳所带来的一系列误差等因素，能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，代替人完成人类主观想要完成的复杂作业。因此被广泛应用到军事领域、科学探险、救灾抢险、工业检测等多个领域，具有广泛的应用前景。 军事领域（反恐防暴）：在战场，可以将雷达检测器应用在蛇形机器人身上，通过蛇形机器人的快速运动已达到迅速扫雷、避雷的作用。同时，因为蛇形机器人细长的身体结构，在战场或者谍报工作时具有一定的隐蔽性，以达到探测、窃取情报甚至起到定点引爆的工作。 民用领域（救灾抢险）：因为蛇形机器人具有超强的环境适应能力，所以可以在一定恶劣的环境，例如：毒气、粉尘、辐射、高温，低温等条件下仍然具有很强的工作执行能力；在灾后废墟中抢救、寻找幸存者能发挥巨大的高效作用。 工业领域（检测）：可对地下管道进行故障勘探，查出堵塞点，甚至可以疏通堵塞管道。 其他领域：在太空中对航天器等外部零件的维修作业；对未探索，具有一定危险系数的星球进行地质勘探发送资料和影像，提高工作人员的安全效率。
蛇形机器人在障碍物环境中的运动研究
摘要 蛇形机器人要走向实际应用，必须着力解决的首要问题是如何在复杂环境中运动以及实现适应环境的避障基础理论问题。本文致力于研究蛇形机器人在复杂环境中的避障运动。 目前蛇形机器人普遍采用模块化结构，以便于设计安装和节约成本。蜿蜒运动是蛇形机器人通过各个模块间规律性的振荡推动整个蛇体运动的一种运动步态，是蛇形机器人运动效率较高的一种运动方式[1]。这种运动方式不同于普通的行走机器人，维护模块之间的规律性振荡产生蜿蜒运动使运动控制变得复杂，更增加了复杂环境中路径规划的难度。本文在蜿蜒运动理论基础上，基于几何法、人工势能法和改进后的人工势能法对蛇机器人在障碍物环境下的运动进行规划。利用几何方法探讨了通过规划蛇头与规划整个蛇体对蛇形机器人运动路径的影响，得到更有利于运动稳定性的规划方法，为人工势能法奠定基础。应用人工势能法中将障碍物赋予高势能产生排斥力，将目标赋予低势能产生吸引力，使蛇形机器人在排斥力与吸引力的作用下避开障碍物到达目标。在人工势能法中，蛇形机器人在纵向方向偏移障碍物的距离过大，这不仅浪费了能量，而且增加了运动时间。综合蛇形机器人前进方向与障碍物势能的关系，对人工势能法进行改进。将障碍物产生的排斥力组成的等势面改成椭圆形，不仅缩短了运动路径更提高蛇形机器人的运动稳定性。分析外力对蛇形机器人的运动方向及运动稳定性的影响，建立了避障过程中的力学理论。最后，通过3D 动力学模型模拟真实机器人在障碍物环境中的避障运动，验证了避障方法的可行性。 本文的研究对蛇形机器人在障碍物环境中的路径规划具有推动作用，为蛇形机器人的应用奠定理论基础。 关键词：蛇形机器人；障碍物；人工势能；运动；动力学
基于 MATLAB 的 PUMA560 机器人运动仿真与轨迹规划 5
The movement simulation and trajectory planning of PUMA560 robot Shibo zhao Abstract:In this essay, we adopt modeling method to study PUMA560 robot in the use of Robotics Toolbox based on MATLAB. We mainly focus on three problems include: the forward kinematics, inverse kinematics and trajectory planning. At the same time, we simulate each problem above, observe the movement of each joint and explain the reason for the selection of some parameters. Finally, we verify the feasibility of the modeling method. Key words:PUMA560 robot; kinematics; Robotics Toolbox; The simulation; I.Introduction As automation becomes more prevalent in people’s life, robot begins more further to change people’s world. Therefore, we are obliged to study the mechanism of robot. How to move, how to determine the position of target and the robot itself, and how to determine the angles of each point needed to obtain the position. In order to study robot more validly, we adopt robot simulation and object-oriented method to simulate the robot kinematic characteristics. We help researchers understand the configuration and limit of the robot’s working space and reveal the mechanism of reasonable movement and control algorithm. We can let the user to see the effect of the design, and timely find out the shortcomings and the insufficiency, which help us avoid the accident and unnecessary losses on operating entity. This paper establishes a model for Robot PUMA560 by using Robotics Toolbox,and study the forward kinematics and inverse kinematics of the robot and trajectory planning problem. II.The introduction of the parameters for the PUMA560 robot PUMA560 robot is produced by Unimation Company and is defined as 6 degrees of freedom robot. It consists 6 degrees of freedom rotary joints (The structure diagram is shown in figure 1). Referring to the human body structure, the first joint（J1）called waist joints. The second joint（J2）called shoulder joint. The third joint （J3）called elbow joints. The joints J4 J5, J6, are called wrist joints. Where, the first three joints determine the position of wrist reference point. The latter three joints determine the orientation of the wrist. The axis of the joint J1 located vertical direction. The axis direction of joint J2, J3 is horizontal and parallel, a3 meters apart. Joint J1, J2 axis are vertical intersection and joint J3, J4 axis are vertical crisscross, distance of a4. The latter three joints’ axes have an intersection point which is also origin point for {4}, {5}, {6} coordinate. (Each link coordinate system is shown in figure 2)
基于MATLAB_Simulink的机器人运动学仿真
基于MAT LAB ΠSimulink 的机器人运动学仿真 张晓超 董玉红 (哈尔滨理工大学,哈尔滨150080) 摘要 利用M AT LAB ΠS imulink 仿真软件对机器人的运动学仿真进行研究,提出基于机构仿真工具S imMechanics 的运动学仿真和基于M AT LAB 函数的运动学仿真,并以平面两关节机器人为例比较了各自的特点。这两种仿真方法对于复杂多关节机器人也同样适用。 关键词:MAT LAB ΠSimulink SimMech anics 运动学 仿真 中图分类号:TP 39119 文献标识码:A 文章编号:1671—3133(2005)增—0061—02 K inematics simulation of robots based on MAT LAB ΠSimulink Zhang Xiaochao ,Dong Yuhong (College of Mechanical and Pow er E ngineering ,H aerbin U niversity of Science and T echnology ,H aerbin 150080,CHN ) Abstract K inematics simulations of robots were studied by M AT LAB ΠS imulink simulation s oftware.K inematics simulations based on mechanism simulation tool S imMechanics and on M AT LAB function were put forward ,and their features compared for tw o joints robot as an example.The tw o methods can als o be used in application to multiple joints robots.K ey w ords :MAT LAB ΠSimulink SimMech anics K inem atics Simulation 本文利用M AT LAB ΠSimulink 仿真软件对机器人的 运动学仿真进行研究,提出基于机构仿真工具Sim Me 2chanics 的运动学仿真和基于M A T LAB 的函数的运动学仿真,并以平面两关节机器人为例比较了各自的特点。 1 基于Sim Mechanics 的运动学仿真 根据机器人的机构组成,基于Sim Mechanics 的两 关节机器人仿真模型如图1所示[1] 。Sim Mechanics 仿真模型主要由两个转动关节模块、两个刚体模块和一个地模块组成。转动关节1、2(R 1、R 2)表示机器人的两个转动关节,刚体1、2(B 1、 B 2)代表杆1、杆2, 地(G round )表示固定机座。对于关节1、2用两个驱动器(R1Actuator 和R2Actuator )进行运动驱动,用两个传感器(R1Sens or 和R2Sens or )测量关节转角,轨迹规划模块实现机器人末端的运动轨迹。 图1 基于S imMechanics 的运动学仿真模型 图2 机器人的关节转角信号 图3 机器人的末端运动轨迹 根据建立的机器 人Sim Mechanics 仿真模型,在仿真环境中设置分析类型,就可以实现机器人的运动学(或动力学)仿真分析。设机器人的杆1和杆2长度均为018m ,其初 始位置杆1处于水平位置,杆2相对于杆1夹角为90°。末端点P 的期望轨迹为XY 平面内的一条直线,起点为(018,018),终点为(115,011),直线方程为y =-x +116。用关节传感器测得关节转角信号如图2所示, 用刚体传感器B2sen 2 s or 测得机器人的末端轨迹如图3所示。 2 基于MAT LAB 函数的运动学仿真 运动学仿真除了采用上面的机构仿真工具之外, CAD ΠCAPP ΠCAM ΠCAE