● 摘要
本文使用虚拟样机技术进行了蟑螂机器人的三维建模、动态特性分析和仿真，建立了适用于仿生蟑螂机器人的虚拟设计方法，缩短了物理样机开发的时间。 论文首先参照实际蟑螂的结构特点及功能，进行了仿生蟑螂机器人的结构设计，并且在Pro/E的Mechanism模块中进行了运动仿真，观察传动情况和单腿各关节的运动情况，证明本文设计的蟑螂机器人运动状况良好。通过对蟑螂机器人整体运动链进行运动学分析，推导出了正、逆运动学算法，此外还提出了一种基于旋量理论和POE公式，利用Paden-Kahan子问题求解蟑螂机器人逆运动学的新算法，避免了传统算法的许多弊端。同时在位置级求解的基础上进一步提出了求解关节角速度和关节角加速度的算法。最后将逆运动学解与蟑螂机器人行走的插补算法相结合，实现了蟑螂机器人的运动规划。并且借助Matlab编制的数值计算程序对其进行了严格验证。在运动学分析的基础上进行了蟑螂机器人的Adams仿真，直观地描述蟑螂机器人运动过程，并且通过Adams仿真结果与Matlab计算结果的对比，验证了蟑螂机器人位置级正、逆解算法的正确性及关节角速度和角加速度求解算法的正确性，为行走驱动电机的控制提供了准确可靠的数据来源。通过准确的运动学分析与仿真找到了机器人运动与机构之间的联系,为机器人机构设计的验证和修改提供了理论依据。运动学仿真结果表明蟑螂机器人运动过程平稳，验证了机器人机构设计的可行性。最后进行了蟑螂机器人动力学分析与仿真，运用拉格朗日（Lagrange）动力学方法推导出蟑螂机器人动力学方程，并进行了Adams动力学仿真，得到蟑螂机器人各主动关节转矩变化规律，验证其在电机的极限转矩之内, 变化过程也在电机的可控范围以内。通过准确的动力学分析与仿真找到了关节转矩与结构之间的联系,为机器人结构设计的验证和修改提供了理论依据。动力学仿真结果表明蟑螂机器人关节转矩变化平稳，验证了机器人结构设计的合理性。