汽车驾驶机器人运动学建模与仿真(2)
。1.2 驾驶机器人的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状1954 年美国的戴沃尔提出“工业机器人”的概念，之后机器人技术在经历一段长足而迅猛的发展后日趋完善，工业机器人逐渐走入生产试验中[5]。而 80年代以来，关于汽车排放等问题的法规日趋严格，汽车试验的项目变多周期变长，为了缩短汽车产品的试验周期，提高研发效率，国外的一些公司开始研究如何将逐渐成熟的机器人技术引入到汽车试验中，在经过一番的探索后取得了不错的成绩。汽车驾驶机器人在操控汽车时需要真实的模仿人类的驾驶动作，其中执行机构在工作时需要和人类的肌肉一样有一定的弹性和柔顺性，换挡机械手和三条继续腿也需要有一定的相互配合，另外驾驶机器人的整体结构必须小巧灵活且执行结构的长度和角度可调，控制程序也要能进行一定程度的变动，方便驾驶机器人安装并控制不同车型的汽车，由于以上各种性能或结构要求汽车驾驶机器人在技术上有很大的难度[6]。目前世界上只有少数几个整体科技比较发达的国家的汽车公司拥有完备的驾驶机器人技术，主要有德国的 Stähler、大众，美国的 LBECO、Froude Consine，英国的MIRA、日本的HORIBO 等。这些公司的驾驶机器人在结构具有一定的相似性，主要由换挡机械手和机械腿两部分组成，其中机械腿又包含为油门机械腿、制动机械腿和离合器机械腿三条，当需要进行汽车试验的车辆装有自动变速器时，则可以省去离合器机械腿。驾驶机器人的驱动方式主要有液压、气动和电动三种，国外的研究从液压和电动型开始起步（美国 LBECO 公司、英国 MIRO 公司、日本 HORIBO 等），但由于不能实现精确控制、执行结构的运动也不够柔顺，逐步被更加成熟的气电混合型驱动装置代替。近年来，电机伺服控制技术经过一定的发展逐渐成熟，国外已经成功的将其运用到驾驶机器人上设计出全电驱动的汽车驾驶机器人 （如日本 HORIBO、 HOBIRA、 AUTOMAX公司、德国 Stähler 公司）[7]。
1.2.2 国内研究现状国内的相关研究工作起步较晚，90年代中期许多汽车公司、研发机构和具有较高研究水平的高等学府才开始着手汽车驾驶机器人的研究工作。虽然国内的相关研发起步较晚，依然取得了很好的成绩，例如东南大学与南京汽车公司联合研发出的具有完全自主产权的DNC-1型气动式驾驶机器人和 DNC-2 型气电混合式驾驶机器人，填补了国内空白，DNC-3 型全电动式驾驶机器人目前正在研究中[8]。前面两种驾驶机器人已经在南京汽车集团技术中心有限公司和中国客车质量监督检验中心进行了长时间的多种车型的试验工作，其主要性能和指标已经达到了国外同类驾驶机器人的先进水平。除南汽与东南大学外，一汽、上汽、奇瑞等汽车公司以及清华大学、哈尔滨大学、吉林大学、重庆大学、太原理工等高校也在做关于驾驶机器人的研发工作，也获得了很好的成绩。国内外的汽车驾驶机器人大致可分为三个研发方向[9]： 室内用底盘测功机台架试验用机器人、室外用道路耐久性试验用驾驶机器人以及自主驾驶机器人，目前在三个方向上都获得了很高的成果。但是我们应该认识到，虽然汽车驾驶机器人的研究获得了很高的研究成就，但是仍然具有许多需要提高的地方或者说很高的进步空间，例如在运动控制的精度、机械手和机械腿的协调性、试验的适应性、控制信号的抗干扰性能、 智能化等方面还需要进一步研究与提高[10]。
1.3 汽车驾驶机器人运动学建模与仿真的研究现状驾驶机器人运动学建模与仿真指在利用计算机专业软件如 CATIA、ADAMS、ANSYS等对驾驶机器人的结构设计进行建模并在软件上进行模型的运动分析等。这些专业软件可以辅助我们进行驾驶机器人的设计及相关试验，比如我们可以通过它们来完成驾驶机器人结构建模和运动仿真，分析汽车驾驶机器人的位移、位移误差、运动误差、速度等的变化特性，完成驾驶机器人换挡机械手的轨迹跟踪仿真与分析。整个过程都可以在计算机上直接进行，省略了搭建实物平台和进行实物试验的时间，也避免因外在因素而影响数据的准确性，所以驾驶机器人的运动学建模与仿真大大提高了研发的效率和准确性，同时也降低了研发成本。在近年来的相关学位论文以及权威期刊中，我们也能够看出运动学建模与仿真在驾驶机器人研发方面的重要地位。 如太原理工大学的王丽丽、 牛志刚将三维软件OpenGL和AutoCAD二者联合运用取长补短，更好的进行了驾驶机器人的三维运动仿真[11]。马永晖、牛志刚在ADAMS 中进行了驾驶机器人离合机械腿在汽车起步时的动力学仿真，得出离合器机械腿结构的关键约束力以及离合器踏板的速度变化规律，为驾驶机器人的机械腿的结构设计提供了一定的数据和结构方面的参考[12]。太原理工大学的牛喆、牛志刚等应用CATIA 软件强大的三维建模能力和 ADAMS强大的运动学分析能力辅助设计了一种新型的汽车排放试验用驾驶机器人换挡机械手[13]。南京理工大学的陈刚教授在东南大学攻读博士期间设计了汽车驾驶机器人驾驶性能评价半实物仿真平台，借助这个平台可以对驾驶机器人驾驶车辆的品质进行性能评价发表的数据采集系统的设计等[14]。运动学仿真工作不仅作用于驾驶机器人，在其它方面也有很大作为，例如哈尔滨工业大学的胡海燕、王鹏飞等人做了线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真工作，使得仿生机器人能更广泛的用于各种探勘、抢险等工作[15]。运动学建模与仿真在驾驶机器人的设计与试验中有着举足轻重的作用，各种计算机辅助软件的应用使得这一作用愈发重要，同时也使得设计与试验更为高效可靠。
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