教育機(jī)器人三維仿真平臺關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、教育機(jī)器人作為一種新型的教學(xué)載體而受到廣泛關(guān)注。然而，目前的教育機(jī)器人主要還是生產(chǎn)廠家提供的教育機(jī)器人實(shí)體，這雖然能夠提高學(xué)生的動手能力，但對培養(yǎng)學(xué)生更高層次的想象能力和創(chuàng)新能力尚有差距。為此，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)和機(jī)器人仿真技術(shù)，提出了一種集教育機(jī)器人搭建、結(jié)構(gòu)分析、控制程序設(shè)計(jì)、動態(tài)物理仿真等功能為一體的教育機(jī)器人三維集成仿真平臺。本文對教育機(jī)器人三維仿真平臺及其若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要的研究內(nèi)容和研究成果如下：
　　

2、1)提出了一種分層的教育機(jī)器人三維仿真平臺體系結(jié)構(gòu)，建立了一種基于XML語言的教育機(jī)器人模型信息表達(dá)方法，為教育機(jī)器人三維仿真平臺的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)：
　　 在對教育機(jī)器人仿真平臺功能需求分析的基礎(chǔ)上，利用面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒M件化思想，提出了一種分層的教育機(jī)器人仿真平臺體系結(jié)構(gòu)，提高了仿真平臺的開放性和可擴(kuò)展性。詳細(xì)設(shè)計(jì)了體系中的分層結(jié)構(gòu)和各層次功能。建立了以數(shù)據(jù)為中心的功能框架，實(shí)現(xiàn)了仿真平臺中各功能模塊之間的松散耦合。

3、>　　 提出了基于廣義特征的教育機(jī)器人結(jié)構(gòu)件模型，較好地解決了傳統(tǒng)幾何模型表達(dá)中信息不完備和數(shù)據(jù)抽象程度較低的缺點(diǎn)；以特征裝配關(guān)系為基礎(chǔ)，建立了教育機(jī)器人裝配模型的層次有向圖表達(dá)方法，并借助于幾何約束與自由度的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了幾何約束與物理約束間的轉(zhuǎn)換，滿足了仿真平臺對不同模型的需求；以XML語言為基礎(chǔ)，利用XML在數(shù)據(jù)描述及數(shù)據(jù)交換方面的優(yōu)勢，建立了一種基于XML的教育機(jī)器人結(jié)構(gòu)件模型信息表達(dá)方法，提出了結(jié)構(gòu)件模型的XML表達(dá)模式E

4、R-XML（Educational Robot eXtensible Markup Language，教育機(jī)器人可擴(kuò)展標(biāo)記語言）模式，詳細(xì)設(shè)計(jì)了ER-XML模式中的元素，為教育機(jī)器人模型的XML表達(dá)建立了基本規(guī)范。
　　 2)提出了一種基于裝配特征的教育機(jī)器人自動裝配方法，簡化了教育機(jī)器人的裝配仿真過程；
　　 首先，以射線檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，通過碰撞射線的構(gòu)造及其空間變換實(shí)現(xiàn)了一種三維環(huán)境下裝配對象的鼠標(biāo)快速拾取方法，解決

5、了鼠標(biāo)無法應(yīng)用于三維裝配場景的問題；其次，研究了裝配特征的面向?qū)ο蟊磉_(dá)方法，給出了裝配特征中幾何特征和裝配規(guī)則集的描述形式；在對裝配特征進(jìn)行標(biāo)記和代數(shù)解析的基礎(chǔ)上，建立了裝配特征的量化判斷方法，以此為基礎(chǔ)，從特征類型、特征方位及特征規(guī)則集等三個方面逐步對裝配特征進(jìn)行匹配以自動建立裝配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了裝配關(guān)系從交互指定到自動建立的飛躍。
　　 3)提出了一種冗余約束多剛體系統(tǒng)摩擦接觸動力學(xué)模型的數(shù)值求解方法，提高了含冗余約束多剛體系統(tǒng)

6、接觸仿真的穩(wěn)定性：
　　 針對教育機(jī)器人仿真中的接觸、碰撞和摩擦等單邊約束問題，以離散化的系統(tǒng)動力學(xué)方程和線性規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，建立了描述多剛體系統(tǒng)摩擦接觸和碰撞問題的混合互補(bǔ)模型，并給出了相應(yīng)的數(shù)值求解方法。對含冗余約束情況下的多剛體系統(tǒng)摩擦接觸模型，利用摩擦條件近似化方法和最小二乘法，將混合非線性互補(bǔ)模型轉(zhuǎn)化為線性互補(bǔ)模型進(jìn)行求解，解決了冗余多剛體系統(tǒng)接觸問題無法直接進(jìn)行求解的難題。最后給出了幾種線性互補(bǔ)模型的迭代數(shù)值求解方法

7、，并通過幾個數(shù)值算例，驗(yàn)證了冗余多剛體系統(tǒng)接觸和碰撞模型及數(shù)值求解方法的有效性。
　　 4)提出一種基于稀疏矩陣計(jì)算的快速動力學(xué)求解算法和直接投影修正算法，提高了動力學(xué)求解的計(jì)算效率和計(jì)算精度;
　　 首先，給出了物理仿真引擎中物理行為的模擬方法，分析了教育機(jī)器人仿真場景中的碰撞檢測特點(diǎn)，結(jié)合碰撞檢測的幾種改進(jìn)策略，建立了復(fù)雜場景下的兩階段碰撞檢測算法，提高了碰撞檢測算法的效率。其次，對物理仿真引擎中的動力學(xué)求解模塊進(jìn)行

8、研究，在分析多剛體動力學(xué)仿真計(jì)算中廣泛使用的增廣法基礎(chǔ)上，提出了一種基于稀疏矩陣計(jì)算的快速動力學(xué)求解算法。該算法利用約束力求解方程中存在稀疏矩陣的特點(diǎn)，通過稀疏矩陣求解方法獲得了一個計(jì)算效率較高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而快速地求解動力學(xué)方程。針對動力學(xué)求解中的約束違約現(xiàn)象，建立了一個直接違約修正方程，并再次利用經(jīng)稀疏計(jì)算方法預(yù)處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速求解違約修正值，提高了計(jì)算效率。最后，給出了相應(yīng)的算例，與傳統(tǒng)增廣法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該算法快速性和高精度