教育機器人三維仿真平臺關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、教育機器人作為一種新型的教學載體而受到廣泛關(guān)注。然而，目前的教育機器人主要還是生產(chǎn)廠家提供的教育機器人實體，這雖然能夠提高學生的動手能力，但對培養(yǎng)學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)代先進制造技術(shù)和機器人仿真技術(shù)，提出了一種集教育機器人搭建、結(jié)構(gòu)分析、控制程序設(shè)計、動態(tài)物理仿真等功能為一體的教育機器人三維集成仿真平臺。本文對教育機器人三維仿真平臺及其若干關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，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語言的教育機器人模型信息表達方法，為教育機器人三維仿真平臺的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)：
　　 在對教育機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展性。詳細設(shè)計了體系中的分層結(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器人結(jié)構(gòu)件模型，較好地解決了傳統(tǒng)幾何模型表達中信息不完備和數(shù)據(jù)抽象程度較低的缺點；以特征裝配關(guān)系為基礎(chǔ)，建立了教育機器人裝配模型的層次有向圖表達方法，并借助于幾何約束與自由度的映射關(guān)系，實現(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的教育機器人結(jié)構(gòu)件模型信息表達方法，提出了結(jié)構(gòu)件模型的XML表達模式E

4、R-XML（Educational Robot eXtensible Markup Language，教育機器人可擴展標記語言）模式，詳細設(shè)計了ER-XML模式中的元素，為教育機器人模型的XML表達建立了基本規(guī)范。
　　 2)提出了一種基于裝配特征的教育機器人自動裝配方法，簡化了教育機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)造及其空間變換實現(xiàn)了一種三維環(huán)境下裝配對象的鼠標快速拾取方法，解決

5、了鼠標無法應(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_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；在對裝配特征進行標記和代數(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行匹配以自動建立裝配關(guān)系，實現(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，將混合非線性互補模型轉(zhuǎn)化為線性互補模型進行求解，解決了冗余多剛體系統(tǒng)接觸問題無法直接進行求解的難題。最后給出了幾種線性互補模型的迭代數(shù)值求解方法

7、，并通過幾個數(shù)值算例，驗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算的快速動力學求解算法和直接投影修正算法，提高了動力學求解的計算效率和計算精度;
　　 首先，給出了物理仿真引擎中物理行為的模擬方法，分析了教育機器人仿真場景中的碰撞檢測特點，結(jié)合碰撞檢測的幾種改進策略，建立了復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求解模塊進行

8、研究，在分析多剛體動力學仿真計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算的快速動力學求解算法。該算法利用約束力求解方程中存在稀疏矩陣的特點，通過稀疏矩陣求解方法獲得了一個計算效率較高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而快速地求解動力學方程。針對動力學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)稀疏計算方法預處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速求解違約修正值，提高了計算效率。最后，給出了相應(yīng)的算例，與傳統(tǒng)增廣法進行比較，驗證了該算法快速性和高精度