基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统研究专业：机械电子工程博士生：陈培华导师：曹其新教授上海交通大学机械与动力工程学院2014年12月万方数据万方数据Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityResearchontheDynamicSimulationSystemforArticulatedRobotsbasedonRoboticsMiddlewareSpecialty:MechatronicsAuthor:ChenPeihuaAdvisor:Prof.CaoQixinSchool

2、ofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityDec.2014万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据万方数据摘要基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统研究摘要随着欧、美、日、韩等主要发达国家高度重视机器人的发展而纷纷推出发展机器人的国家层面的战略规划，中国也已将发展机器人产业上升到了国家战略。在我国“十二五”规划中，高端制造业即“机器人与智能制造”，已被列入了战略新兴产业。但是，我国机器人产业的核心技术薄弱、市场份额和附加值低，尤其体现在广泛应用于智能制造和家庭服务等领域的关节型机器人的系统集成和应用开发上

3、，而关节型机器人的动力学仿真系统的研究与开发则是其中的主要研究热点之一。另一方面，机器人的模块化和标准化技术可以实现机器人各功能组件之间的可重用与互操作，有效降低开发成本和难度，有利于促进机器人产业的规模化发展，已受到了世界各机器人发达国家的高度重视。机器人中间件技术是推动和实现机器人模块化和标准化的主要有效途径之一，针对基于中间件技术的组件化标准体系和系统集成技术的研究已逐渐成为新世纪以来机器人领域学术界和产业界的研究热点并受到广泛关注。本文以多自由度关节型机器人为研究对象，对关节型机器人的动力学仿真系统开发中所涉及的主要关键问题，即包括动力学仿真系统的组件化模型、机器人的模型

4、简化和参数化虚拟装配、关节型机器人的动力学分析与控制以及基于中间件技术的系统集成与应用等进行了研究，实现了一套完善的基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统架构。本文的主要研究工作包括以下几个方面：（1）通过分析机器人动力学仿真系统各组件的接口特点以及相互之间的通讯要求，提出了基于RTC规范的机器人动力学仿真系统组件化模型RDS-RTC，简化了组件状态变迁关系和其所支持的数据类型，相关的实验结果也验证了该组件化模型可以提高组件的执行效率和实时性等性能。（2）通过调研和分析现有仿真平台中所采用的三维模型技术或标准，提出了一种主要针对自建机器人模型的简化方法，其避免了复杂算法的计算

5、，并能够显著提高模型的简化程度、增加模型的加载数量和缩短模型的平均加载时间。针I万方数据上海交通大学博士学位论文对关节型机器人的三维场景图具有树形结构的特点，提出了基于Java3D的机器人参数化虚拟装配（PVA）方法，并以XML格式文件进行规范和保存。相关的实验结果验证了上述方法的有效性和实用性。（3）引入了旋量理论对关节型机器人进行运动学和动力学分析，并采用迭代方法的实现，使所建立的机器人运动学和逆动力学模型尽可能通用并且具有较低的计算复杂度。重点研究了在机器人控制、结构设计和驱动器选型等方面起到非常重要作用的逆动力学分析与控制问题，设计了基于RNEA的闭环逆动力学控制器，并利

6、用RDS-RTC模型封装成控制器组件，进行了有关的对比实验研究，实验结果验证了所设计的逆动力学控制器具有较优越的轨迹控制性能。（4）提出了基于RTM中间件技术的分布式、可扩展的关节型机器人动力学仿真系统层次架构，包括初级抽象层、通讯层、高级抽象层和应用层等，并研究了与其相关的建模、实现和集成方法。通过以Motoman-UPJ六自由度关节型机器人分别在关节空间和工作空间的轨迹控制情况下的动力学仿真实验系统，验证了所开发的机器人动力学仿真系统能够真实反映实际机器人的运动特性，并且具有较好的位置跟随精度，同时也进一步验证了该关节型机器人动力学仿真系统架构的有效性、可重用性和可扩展性。（

7、5）针对面向类ITERD型腔维护的多自由度远程操作机器人，综合应用上述各方法，搭建了面向类ITERD型腔的远程操作维护机器人的动力学仿真系统与实验平台，通过大量的仿真和实验对比研究，验证了上述各方法以及本文所提出的关节型机器人动力学仿真系统的有效性。通过使用本文所提出的基于中间件技术的关节型机器人动力学仿真系统架构，可以实现一个分布式、模块化的关节型机器人动力学仿真系统，解决了关节型机器人在组件开发和系统集成等方面存在的瓶颈，避免了对机器人或实验人员可能造成的物理损伤，同时也可以