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机器人建模与仿真系统研究与实现

黄立  
【摘要】:机器人技术广泛应用于国防、工业等领域,是衡量制造业和高科技水平的战略性标杆之一。然而实物机器人结构复杂、价格昂贵、实验损耗较大,限制了机器人技术的进步。机器人建模与仿真是克服这些困难的一个方向,获得广泛重视并发展迅速,但仍然存在操作过程繁复、建模周期长、仿真参数获取不易等难题。针对上述情况,本文研究机器人建模与仿真方法并实现系统,支持快速建立和校验机器人模型;支持机器人实时动力学仿真、参数反馈和图形显示;支持用户交互控制和驱动器调试等功能。本文主要研究工作及贡献有以下三点。 1.研究并实现基于图形交互的快速机器人建模系统GRMS (Graphics-based Robotics Modeling System)。系统提出基于几何的连杆模型建模方法;提出基于运动学原理的连杆结构校验方法;提出碰撞检测模型建模方法以简化机器人外型;提出完整仿真建模方法以支持驱动器等扩展建模;支持与机器人仿真系统交互。 2.研究并实现基于MSRS (Microsoft Robotics Studio)的交互式机器人仿真系统MRSS (MSRS-based Robotics Simulation System)。系统针对MSRS中机器人建模需要复杂代码设计的问题,设计机器人模型文件解析器,可灵活导入连杆模型文件;针对MSRS难以获取物理参数的问题,通过物体状态获取动力学参数。 3.研究并实现基于物理引擎封装层的交互式机器人仿真系统PERSS (Physics Engine-based Robotics Simulation System)。系统支持导入完整仿真模型文件;设计物理引擎封装层,为采用多种物理引擎仿真比较打下基础;设计绘制引擎封装层;提出基于PID控制原理的关节驱动器仿真方法以支持电机选型。 本文提出的建模与仿真方法设计灵活、建模快速准确、仿真实时性强,为机器人机械结构和驱动器选型提供可靠指导。本文研究可有效指导机器人开发,在机器人研究、设计、教学等方向有广阔应用前景。


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