單足跳躍機(jī)器人三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、近幾年隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，在機(jī)器人的算法研究和仿真應(yīng)用中三維仿真系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。本文將袋鼠的機(jī)構(gòu)模型簡化為單足跳躍機(jī)器人，以該單足跳躍機(jī)器人作為研究對象和可視化模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的研究和三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文主要工作由以下四個(gè)部分組成。
　　1.針對袋鼠的機(jī)構(gòu)模型特點(diǎn)，將其簡化為單足跳躍機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行研究分析。根據(jù)機(jī)器人著地相和騰空相兩個(gè)階段分別建立運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型，針對兩個(gè)階段的運(yùn)動學(xué)正問題進(jìn)行分析，利用D-H參數(shù)

2、的齊次變換矩陣法求解運(yùn)動學(xué)正解，將真實(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)代入正解公式，在MATLAB中進(jìn)行線性化擬合并驗(yàn)證仿真曲線。在位姿分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)器人的微分運(yùn)動和速度研究，求解其雅可比矩陣，針對騰空階段趾尖相對于軀干的速度進(jìn)行了仿真曲線驗(yàn)證。
　　2.實(shí)時(shí)碰撞檢測算法的優(yōu)化。本文在RECODE和RAPID算法基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出一種適用于大規(guī)模復(fù)雜場景的基于圖像空間的碰撞檢測算法，利用 GPU加速技術(shù)來減輕 CPU負(fù)擔(dān)。根據(jù)場景及模型的復(fù)雜度

3、設(shè)置了兩個(gè)測試場景，與RECODE和RAPID算法進(jìn)行時(shí)間效率對比實(shí)驗(yàn)。
　　3.開發(fā)了機(jī)器人三維仿真平臺。首先利用3ds Max軟件對單足跳躍機(jī)器人進(jìn)行了3D建模，使用開源庫Assimp完成3ds模型的加載。之后利用MFC類庫進(jìn)行了用戶交互界面的開發(fā)，完成VC++與OpenGL的接口設(shè)計(jì)。三維仿真平臺進(jìn)行了UDP通信接口設(shè)計(jì)，能夠與局域網(wǎng)中其他PC建立UDP通信連接，三維仿真平臺調(diào)用 MATLAB引擎進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及仿真曲線繪制等

4、，實(shí)現(xiàn)三維仿真平臺與MATLAB的聯(lián)合仿真。
　　4.三維仿真平臺的運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。本文提出了一種基于關(guān)鍵幀和插值算法的運(yùn)動學(xué)仿真動畫生成方法，用戶可以交互式地進(jìn)行關(guān)鍵幀的設(shè)置，具有良好的示教演示功能，在仿真平臺上進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。針對單足跳躍機(jī)器人騰空階段選擇合適的插值算法進(jìn)行關(guān)節(jié)空間運(yùn)動規(guī)劃，同時(shí)需要結(jié)合笛卡兒空間運(yùn)動規(guī)劃。最后在三維仿真平臺上進(jìn)行了碰撞檢測算法的仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)單足跳躍機(jī)器人在跳躍過程中與障礙物發(fā)生碰撞