液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)及仿真方法
【專利摘要】液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)及仿真方法，屬于機器人仿真【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是為了解決目前沒有專門針對液壓驅(qū)動六足機器人的仿真系統(tǒng)的問題。本發(fā)明所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)及仿真方法，首先，根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域；并根據(jù)地質(zhì)情況建立松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型；然后利用松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型和足-地相互作用的區(qū)域獲得足-地作用力；再根據(jù)足-地作用力獲得機器人運動狀態(tài)參數(shù)；最后，根據(jù)機器人運動狀態(tài)參數(shù)獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)。適用于對液壓驅(qū)動六足機器人進行仿真實驗。
【專利說明】液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)及仿真方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機器人仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及液壓驅(qū)動六足機器人的仿真技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]由于液壓驅(qū)動六足機器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，且在實際應(yīng)用中對其性能和可靠性的要求極高，因此需要對其進行反復(fù)的設(shè)計與優(yōu)化。由于制造樣機、試驗分析及修改方案的研發(fā)模式研發(fā)周期長、優(yōu)化效果不好且試驗具有一定的危險性，容易對機器人本身甚至試驗人員的人身安全造成嚴(yán)重的傷害，因此液壓系統(tǒng)六足機器人的設(shè)計及仿真實驗對設(shè)計者提出了重大的挑戰(zhàn)。而通用的動力學(xué)仿真軟件建模過程復(fù)雜耗時長、仿真速度慢，對于接觸過程的仿真精度低，且不能直接計算出液壓驅(qū)動六足機器人所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此不能滿足液壓驅(qū)動六足機器人的仿真需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決目前沒有專門針對液壓驅(qū)動六足機器人的仿真系統(tǒng)的問題，現(xiàn)提供液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)及仿真方法。
[0004]液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，它包括以下單元:
[0005]根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域的單元；
[0006]根據(jù)地質(zhì)情況建立松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型的單元；
[0007]利用松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型和足-地相互作用的區(qū)域獲得足-地作用力的單元；
[0008]根據(jù)足-地作用力獲得機器人運動狀態(tài)參數(shù)的單元；
[0009]根據(jù)機器人運動狀態(tài)參數(shù)獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的單元。
[0010]液壓驅(qū)動六足機器人仿真方法，該方法包括以下步驟:
[0011]根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域的步驟；
[0012]根據(jù)地質(zhì)情況建立松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型的步驟；
[0013]利用松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型和足-地相互作用的區(qū)域獲得足-地作用力的步驟；
[0014]根據(jù)足-地作用力獲得機器人運動狀態(tài)參數(shù)的步驟；
[0015]根據(jù)機器人運動狀態(tài)參數(shù)獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的步驟。
[0016]本發(fā)明提供了一種專門針對液壓驅(qū)動六足機器人的仿真系統(tǒng)與仿真方法，與通用的動力學(xué)軟件相比，本發(fā)明所述的仿真系統(tǒng)與仿真方法建?？焖俸唵危趯α銠C器人進行建模使，只需要輸入機器人各部分的尺寸、位置和質(zhì)量等參數(shù)即可對六足機器人進行快速建模；還能夠根據(jù)需要對地形進行建模，也可通過輸入地形結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)函數(shù)對地形進行建模；即只需簡單修改參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)各種構(gòu)型的液壓驅(qū)動六足機器人和各種形式地形的建模，大大節(jié)省了建模時間和工作量；同時本發(fā)明應(yīng)用了松軟地質(zhì)條件下的足地作用力學(xué)模型，與通用動力學(xué)軟件所應(yīng)用的剛體碰撞模型相比適用范圍更廣、實用性更強、仿真精度更高；在自然環(huán)境中，地面通常不是硬質(zhì)的，機器人足和地面之間的接觸也不是一個剛性的碰撞過程，本發(fā)明的仿真過程在松軟地質(zhì)下進行，使仿真結(jié)果更接近真實的自然環(huán)境。適用于對液壓驅(qū)動六足機器人進行仿真實驗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為液壓驅(qū)動六足機器人仿真方法的流程圖；
[0018]圖2為六足機器人結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為機器人足與地面之間切向作用力模型圖；
[0020]圖4為機器人足與地面之間法向作用力模型圖。

【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:本實施方式所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，它包括以下單元:
[0022]根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域的單元；
[0023]根據(jù)地質(zhì)情況建立松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型的單元；
[0024]利用松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型和足-地相互作用的區(qū)域獲得足-地作用力的單元；
[0025]根據(jù)足-地作用力獲得機器人運動狀態(tài)參數(shù)的單元；
[0026]根據(jù)機器人運動狀態(tài)參數(shù)獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的單元。
[0027]本實施方式中，所述根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域的單元能夠用來求解足地接觸面、沉陷量以及足地接觸坐標(biāo)系等，為足地接觸模塊提供支持。
[0028]液壓驅(qū)動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性和不確定性系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中要得到精確的數(shù)學(xué)模型十分困難，由于其存在參數(shù)變化范圍大、外界干擾和非線性等問題，所以在傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中確定液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)會大大地增加計算量及仿真時間，降低仿真效率，故液壓驅(qū)動系統(tǒng)的仿真通常用專用軟件來完成，而在本系統(tǒng)中只考慮最簡單的液壓特性，從而獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)，即流量、壓力、系統(tǒng)工作的功率及效率。
[0029]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，它還包括以下單元:
[0030]采集機器人參數(shù)對六足機器人進行建模的單元；
[0031]采集地形參數(shù)對地形進行建模的單元；
[0032]對機器人的運動進行規(guī)劃的單元；
[0033]所述采集機器人參數(shù)對六足機器人進行建模的單元包括:機器人簡化模塊；該機器人簡化模塊用于保留與機器人移動性能相關(guān)部件，獲得機器人物理模型；
[0034]所述采集地形參數(shù)對地形進行建模的單元用于對地形模型進行構(gòu)建；
[0035]對機器人的運動進行規(guī)劃的單元用于設(shè)定機器人的運動參數(shù)。
[0036]由于自然環(huán)境下的地形復(fù)雜多變，對機器人的行走提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此對自然環(huán)境下的對地形進行建模也是高保真度仿真的重要組成部分。
[0037]本實施方式所述的系統(tǒng)中，在默認(rèn)狀態(tài)下能夠選擇的地形有平地、斜坡、垂直障礙、溝渠、和正弦波動地形等，能夠選擇的簡單地形如表1所示，對于較為復(fù)雜的地形，還能夠通過定義高度域的方式來創(chuàng)建。
[0038]表1可選擇的簡單地形
[0039]

【權(quán)利要求】
1.液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于，它包括以下單元: 根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域的單元； 根據(jù)地質(zhì)情況建立松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型的單元； 利用松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型和足-地相互作用的區(qū)域獲得足-地作用力的單元； 根據(jù)足-地作用力獲得機器人運動狀態(tài)參數(shù)的單元； 根據(jù)機器人運動狀態(tài)參數(shù)獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于，它還包括以下單元: 采集機器人參數(shù)對六足機器人進行建模的單元； 采集地形參數(shù)對地形進行建模的單元； 對機器人的運動進行規(guī)劃的單元； 所述采集機器人參數(shù)對六足機器人進行建模的單元包括:機器人簡化模塊；該機器人簡化模塊用于保留與機器人移動性能相關(guān)部件，獲得機器人物理模型； 所述采集地形參數(shù)對地形進行建模的單元用于對地形模型進行構(gòu)建； 所述對機器人的運動進行規(guī)劃的單元用于設(shè)定機器人的運動參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于，它還包括:仿真狀態(tài)顯示單元和仿真數(shù)據(jù)輸出單元； 仿真狀態(tài)顯示單元用于將仿真運行狀態(tài)和需要實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)參數(shù)顯示出來； 仿真數(shù)據(jù)輸出單元用于將獲得的數(shù)據(jù)輸出進行后續(xù)儲存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于，它還包括: 定義世界坐標(biāo)系的單元，令世界坐標(biāo)系依次繞三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，獲得地面局部坐標(biāo)系的單元，該單元中三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動的角度分別為α，β，Υ，其中Y為O; 根據(jù)地面局部坐標(biāo)系，將機器人足端在世界坐標(biāo)系下的位移轉(zhuǎn)至局部坐標(biāo)系下的位移的單元； 根據(jù)局部坐標(biāo)系下的位移和足-地作用力學(xué)模型獲得局部坐標(biāo)系下的足-地作用力的單元； 將局部坐標(biāo)系下的足-地作用力轉(zhuǎn)至世界坐標(biāo)系下的足-地作用力的單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型為:
其中，F(xiàn)t為切向足地作用力，e為自然對數(shù)的底數(shù)，其取值為2.718284...，F(xiàn)nS法向接觸力，s為切向滑移量，K'為切向極限滑移量，μ為摩擦系數(shù)，cs為切向接觸阻尼系數(shù)。
6.液壓驅(qū)動六足機器人仿真方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 根據(jù)機器人足與地面之間的相對位置和姿態(tài)獲得足-地相互作用的區(qū)域的步驟； 根據(jù)地質(zhì)情況建立松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型的步驟； 利用松軟地質(zhì)下的機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型和足-地相互作用的區(qū)域獲得足-地作用力的步驟；根據(jù)足-地作用力獲得機器人運動狀態(tài)參數(shù)的步驟； 根據(jù)機器人運動狀態(tài)參數(shù)獲得液壓驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真方法，其特征在于，在所有步驟之前進行如下步驟: 采集機器人參數(shù)對六足機器人進行建模的步驟； 采集地形參數(shù)對地形進行建模的步驟； 對機器人的運動進行規(guī)劃的步驟； 上述采集機器人參數(shù)對六足機器人進行建模的步驟進一步包括:機器人簡化步驟，該步驟用于保留與機器人移動性能相關(guān)部件，獲得機器人物理模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真方法，其特征在于，在獲得足-地作用力之前，需先將六足機器人足端的位置和運動轉(zhuǎn)換至局部坐標(biāo)系，然后將局部坐標(biāo)系下的作用力轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)系下的作用力，最后施加于六足機器人足端，轉(zhuǎn)換過程包括如下步驟: 定義世界坐標(biāo)系的步驟: 令世界坐標(biāo)系依次繞三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，獲得地面局部坐標(biāo)系的步驟，其中三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動的角度分別為α，β，gamma，gamma為O ; 根據(jù)地面局部坐標(biāo)系，將機器人足端在世界坐標(biāo)系下的位移轉(zhuǎn)至局部坐標(biāo)系下的位移的步驟； 根據(jù)局部坐標(biāo)系下的位移和足-地作用力學(xué)模型獲得局部坐標(biāo)系下的足-地作用力的步驟； 將局部坐標(biāo)系下的足-地作用力轉(zhuǎn)至世界坐標(biāo)系下的足-地作用力的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液壓驅(qū)動六足機器人仿真方法，其特征在于，所述機器人足與地面之間的作用力學(xué)模型為:
其中，F(xiàn)t為切向足地作用力，e為自然對數(shù)的底數(shù)，其取值為2.718284...，F(xiàn)nS法向接觸力，s為切向滑移量，K'為切向極限滑移量，μ為摩擦系數(shù)，cs為切向接觸阻尼系數(shù)。
【文檔編號】G05B17/02GK104200052SQ201410486182
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】高海波, 丁亮, 金馬, 鄧宗全, 劉逸群, 于海濤, 宋楊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)