CN104200052B - 液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法，属于机器人仿真技术领域。本发明是为了解决目前没有专门针对液压驱动六足机器人的仿真系统的问题。本发明所述的液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法，首先，根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足‑地相互作用的区域；并根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型；然后利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足‑地相互作用的区域获得足‑地作用力；再根据足‑地作用力获得机器人运动状态参数；最后，根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数。适用于对液压驱动六足机器人进行仿真实验。
Description
技术领域
本发明属于机器人仿真技术领域，尤其涉及液压驱动六足机器人的仿真技术。
背景技术
由于液压驱动六足机器人是一个复杂的系统，且在实际应用中对其性能和可靠性的要求极高，因此需要对其进行反复的设计与优化。由于制造样机、试验分析及修改方案的研发模式研发周期长、优化效果不好且试验具有一定的危险性，容易对机器人本身甚至试验人员的人身安全造成严重的伤害，因此液压系统六足机器人的设计及仿真实验对设计者提出了重大的挑战。而通用的动力学仿真软件建模过程复杂耗时长、仿真速度慢，对于接触过程的仿真精度低，且不能直接计算出液压驱动六足机器人所需的关键数据，因此不能满足液压驱动六足机器人的仿真需求。
发明内容
本发明是为了解决目前没有专门针对液压驱动六足机器人的仿真系统的问题，现提供液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法。
液压驱动六足机器人仿真系统，它包括以下单元：
根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的单元；
根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型的单元；
利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足-地相互作用的区域获得足-地作用力的单元；
根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的单元；
根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的单元。
液压驱动六足机器人仿真方法，该方法包括以下步骤：
根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的步骤；
根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型的步骤；
利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足-地相互作用的区域获得足-地作用力的步骤；
根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的步骤；
根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的步骤。
本发明提供了一种专门针对液压驱动六足机器人的仿真系统与仿真方法，与通用的动力学软件相比，本发明所述的仿真系统与仿真方法建模快速简单，在对六足机器人进行建模使，只需要输入机器人各部分的尺寸、位置和质量等参数即可对六足机器人进行快速建模；还能够根据需要对地形进行建模，也可通过输入地形结构的数学函数对地形进行建模；即只需简单修改参数就能够实现各种构型的液压驱动六足机器人和各种形式地形的建模，大大节省了建模时间和工作量；同时本发明应用了松软地质条件下的足地作用力学模型，与通用动力学软件所应用的刚体碰撞模型相比适用范围更广、实用性更强、仿真精度更高；在自然环境中，地面通常不是硬质的，机器人足和地面之间的接触也不是一个刚性的碰撞过程，本发明的仿真过程在松软地质下进行，使仿真结果更接近真实的自然环境。适用于对液压驱动六足机器人进行仿真实验。
附图说明
图1为液压驱动六足机器人仿真方法的流程图；
图2为六足机器人结构示意图；
图3为机器人足与地面之间切向作用力模型图；
图4为机器人足与地面之间法向作用力模型图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的液压驱动六足机器人仿真系统，它包括以下单元：
根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的单元；
根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型的单元；
利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足-地相互作用的区域获得足-地作用力的单元；
根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的单元；
根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的单元。
本实施方式中，所述根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的单元能够用来求解足地接触面、沉陷量以及足地接触坐标系等，为足地接触模块提供支持。
液压驱动系统是一个复杂的非线性和不确定性系统，在实际应用中要得到精确的数学模型十分困难，由于其存在参数变化范围大、外界干扰和非线性等问题，所以在传统仿真系统中确定液压驱动系统参数会大大地增加计算量及仿真时间，降低仿真效率，故液压驱动系统的仿真通常用专用软件来完成，而在本系统中只考虑最简单的液压特性，从而获得液压驱动系统的参数，即流量、压力、系统工作的功率及效率。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的液压驱动六足机器人仿真系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括以下单元：
采集机器人参数对六足机器人进行建模的单元；
采集地形参数对地形进行建模的单元；
对机器人的运动进行规划的单元；
所述采集机器人参数对六足机器人进行建模的单元包括：机器人简化模块；该机器人简化模块用于保留与机器人移动性能相关部件，获得机器人物理模型；
所述采集地形参数对地形进行建模的单元用于对地形模型进行构建；
对机器人的运动进行规划的单元用于设定机器人的运动参数。
由于自然环境下的地形复杂多变，对机器人的行走提出了巨大的挑战，因此对自然环境下的对地形进行建模也是高保真度仿真的重要组成部分。
本实施方式所述的系统中，在默认状态下能够选择的地形有平地、斜坡、垂直障碍、沟渠、和正弦波动地形等，能够选择的简单地形如表1所示，对于较为复杂的地形，还能够通过定义高度域的方式来创建。
表1可选择的简单地形
本实施方式所述对机器人的运动进行规划的单元，通过外接工具，即操纵杆或键盘等，对机器人的运动状态进行控制；本系统采用C++开源设计，且提供了丰富的反馈数据和可控制变量，所以能支持用户自定义控制，以实现控制的虚拟应用。默认状态下，可选择平地二步态、三步态、六步态、反射越障、过沟、爬坡、崎岖地形二步态、三步态、六步态行走和全手动操作行走等模式。在默认状态下，支持机器人的前进、暂停、机体高度的升降、机身俯仰角度的升降、机身前后平移、各腿的抬腿、落腿、前后左右移动等功能。默认状态下各关节的运动曲线和可选择参数如表2所示。
表2可定义运动参数
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的液压驱动六足机器人仿真系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括仿真状态显示单元和仿真数据输出单元；
仿真状态显示单元用于将仿真运行状态和需要实时监控的数据参数显示出来；
仿真数据输出单元用于将获得的数据输出进行后续储存。
本实施方式中，仿真状态显示单元和仿真数据输出单元用来获取和计算仿真所需的结果数据，并将需要的结果数据输出到文档中，以备后处理和存档；可通过编程将想要实时显示的仿真运行装态或结果数据显示到命令窗格中。默认状态下的结果数据被保存为txt格式，文件与结果对应列表如表3所示。
表3输出结果文件
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的液压驱动六足机器人仿真系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括：
定义世界坐标系的单元，令世界坐标系依次绕三个坐标轴转动，获得地面局部坐标系的单元，该单元中三个坐标轴转动的角度分别为α,β,γ，其中γ为0；
根据地面局部坐标系，将机器人足端在世界坐标系下的位移转至局部坐标系下的位移的单元；
根据局部坐标系下的位移和足-地作用力学模型获得局部坐标系下的足-地作用力的单元；
将局部坐标系下的足-地作用力转至世界坐标系下的足-地作用力的单元。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的液压驱动六足机器人仿真系统作进一步说明，本实施方式中，所述机器人足与地面之间的作用力学模型为：
其中，FT为切向足地作用力，e为自然对数的底数，其取值为2.718284…，FN为法向接触力，s为切向滑移量，K′为切向极限滑移量，μ为摩擦系数，cs为切向接触阻尼系数。
在自然环境中，地面通常不是硬质的，机器人足和地面之间的接触也不是一个刚性的碰撞过程，故一般动力学软件中通常所采用的刚体接触模型很难真实地表现这种过程，为了模拟机器人足与松软地面之间的接触过程，本实施方式提出机器人足与地面之间的作用力学模型来提高仿真精度。
机器人足与地面之间的接触模型的研究分为法向力学模型和切向力学模型两个部分，在法向上的接触力常用刚度阻尼模型来表示，在切向上常用库伦摩擦模型及其改进形式来表示，对于较为松软的地面来说，法向上的力与机器人足端相对地面沉陷的深度密切相关，机器人足与地面之间切向作用力模型图如图3所示，机器人足与地面之间法向作用力模型图如图4所示；进入接触时机器人足端相对于地面的速度也是一个重要的影响因素，除此之外，法向接触力还和机器人足端形状等参数有关。应用的足地间的接触力学模型，如下式所示：
式中，FN为法向接触力，k为法向接触刚度系数，δ为法向沉陷量，n为法向接触刚度指数，m为法向接触阻尼指数，n2为2号法向接触刚度指数，c为法向接触阻尼系数。
通过分析机器人足与地面接触时在切向上的力学行为可知，在刚开始接触时，机器人足端所受的切向作用力与机器人足端相对于地面的切向滑移量s有关，切向足地作用力FT切向滑移量s的增大而增大，当切向滑移量s大于某一切向极限滑移量K′时，切向足地作用力FT不再增大而表现为一个常值。对于不同的土壤有不同的K′值，可以根据地面地质的不同选取不同的参数从而建立机器人足与地面之间的作用力学模型，参数列表如表4所示。
表4可自定义参数
具体实施方式六：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的液压驱动六足机器人仿真方法，该方法包括以下步骤：
根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的步骤；
根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型的步骤；
利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足-地相互作用的区域获得足-地作用力的步骤；
根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的步骤；
根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的步骤。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的液压驱动六足机器人仿真方法作进一步说明，本实施方式中，在所有步骤之前进行如下步骤：
采集机器人参数对六足机器人进行建模的步骤；
采集地形参数对地形进行建模的步骤；
对机器人的运动进行规划的步骤；
上述采集机器人参数对六足机器人进行建模的步骤进一步包括：机器人简化步骤，该步骤用于保留与机器人移动性能相关部件，获得机器人物理模型。
本实施方式中，首先在机器人建模之前，对机器人的各部分运动进行了分析。
然后为了减少不必要的运算以及碰撞检测，对机器人作了简化，简化原则是：保留与机器人移动性能相关的部件，而对于不相关的部件，则将相连的两个部件整合为一个部件，即将机器人机体简化成一个平板，将各腿及液压缸简化为杆件，再根据实际情况定义其质量特性，直接与地面接触的足则保留其实际的形状，如图2所示。这样既能得到较快的运算速度，又能保证计算精度。
默认状态下可选择的机器人参数如表5所示。
表5可选择机器人参数
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的液压驱动六足机器人仿真方法作进一步说明，本实施方式中，在获得足-地作用力之前，需先将六足机器人足端的位置和运动转换至局部坐标系下进行足-地作用力的计算，然后将局部坐标系下的作用力转换至世界坐标系下的作用力，最后施加于六足机器人足端，转换过程如下：
定义世界坐标系：
其中，x，y，z分别表示世界坐标系的三个坐标轴；
利用卡尔丹角进行分析，令世界坐标系依次绕x，y，z三个坐标轴转动，世界坐标系绕三个坐标轴转动的角度分别为α,β,γ，令γ为0，获得地面局部坐标系：
其中，s为切向滑移量，c为法向接触阻尼系数，x'，y'，z'分别为局部坐标系的三个坐标轴；
令z'的方向与地面法向量方向一致，则根据z'分别获得α和β，然后根据α和β方分别获得x'和y'；
设机器人足端在世界坐标系下的位移为：其中分别表示世界坐标系的三个坐标轴方向的位移；
将上述机器人足端在世界坐标系下的位移转至机器人足端在局部坐标系下的位移：
根据上述位移和足-地作用力学模型计算得局部坐标系下的足地作用力：
[Fx',Fy',Fz']
其中，Fx'Fy'Fz'分别表示局部坐标系下地面对足在x'，y'，z'方向上的作用力；
最后将上述力转至世界坐标系：
由于在仿真过程中获取的足端位移、速度等参数和动力学计算是在世界坐标系下进行的，而上述足-地作用模型中足-地作用力的计算是在接触区域的地面局部坐标系下进行的，因此需先将足端的位置和运动转换至局部坐标系下计算足-地作用力再将局部坐标系下的作用力转换至世界坐标系下并施加于足端，
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的液压驱动六足机器人仿真方法作进一步说明，本实施方式中，所述机器人足与地面之间的作用力学模型为：
其中，FT为切向足地作用力，e为自然对数的底数，其取值为2.718284…，FN为法向接触力，s为切向滑移量，K′为切向极限滑移量，μ为摩擦系数，cs为切向接触阻尼系数。
Claims (7)
1.液压驱动六足机器人仿真系统，它包括以下单元：
根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的单元；
根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型的单元；
利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足-地相互作用的区域获得足-地作用力的单元；
根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的单元；
根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的单元；其特征在于，
所述机器人足与地面之间的作用力学模型为：
其中，FT为切向足地作用力，e为自然对数的底数，其取值为2.718284…，FN为法向接触力，s为切向滑移量，K′为切向极限滑移量，μ为摩擦系数，cs为切向接触阻尼系数。
2.根据权利要求1所述的液压驱动六足机器人仿真系统，其特征在于，它还包括以下单元：
采集机器人参数对六足机器人进行建模的单元；
采集地形参数对地形进行建模的单元；
对机器人的运动进行规划的单元；
所述采集机器人参数对六足机器人进行建模的单元包括：机器人简化模块；该机器人简化模块用于保留与机器人移动性能相关部件，获得机器人物理模型；
所述采集地形参数对地形进行建模的单元用于对地形模型进行构建；
所述对机器人的运动进行规划的单元用于设定机器人的运动参数。
3.根据权利要求1所述的液压驱动六足机器人仿真系统，其特征在于，它还包括：仿真状态显示单元和仿真数据输出单元；
仿真状态显示单元用于将仿真运行状态和需要实时监控的数据参数显示出来；
仿真数据输出单元用于将获得的数据输出进行后续储存。
4.根据权利要求1所述的液压驱动六足机器人仿真系统，其特征在于，它还包括：
定义世界坐标系的单元，令世界坐标系依次绕三个坐标轴转动，获得地面局部坐标系的单元，该单元中三个坐标轴转动的角度分别为α,β,γ，其中γ为0；
根据地面局部坐标系，将机器人足端在世界坐标系下的位移转至局部坐标系下的位移的单元；
根据局部坐标系下的位移和足-地作用力学模型获得局部坐标系下的足-地作用力的单元；
将局部坐标系下的足-地作用力转至世界坐标系下的足-地作用力的单元。
5.液压驱动六足机器人仿真方法，该方法包括以下步骤：
根据机器人足与地面之间的相对位置和姿态获得足-地相互作用的区域的步骤；
根据地质情况建立松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型的步骤；
利用松软地质下的机器人足与地面之间的作用力学模型和足-地相互作用的区域获得足-地作用力的步骤；
根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的步骤；
根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的步骤；其特征在于，
所述机器人足与地面之间的作用力学模型为：
其中，FT为切向足地作用力，e为自然对数的底数，其取值为2.718284…，FN为法向接触力，s为切向滑移量，K′为切向极限滑移量，μ为摩擦系数，cs为切向接触阻尼系数。
6.根据权利要求5所述的液压驱动六足机器人仿真方法，其特征在于，在所有步骤之前进行如下步骤：
采集机器人参数对六足机器人进行建模的步骤；
采集地形参数对地形进行建模的步骤；
对机器人的运动进行规划的步骤；
上述采集机器人参数对六足机器人进行建模的步骤进一步包括：机器人简化步骤，该步骤用于保留与机器人移动性能相关部件，获得机器人物理模型。
7.根据权利要求5所述的液压驱动六足机器人仿真方法，其特征在于，在获得足-地作用力之前，需先将六足机器人足端的位置和运动转换至局部坐标系，然后将局部坐标系下的作用力转换至世界坐标系下的作用力，最后施加于六足机器人足端，转换过程包括如下步骤：
定义世界坐标系的步骤：
令世界坐标系依次绕三个坐标轴转动，获得地面局部坐标系的步骤，其中三个坐标轴转动的角度分别为α,β,γ，γ为0；
根据地面局部坐标系，将机器人足端在世界坐标系下的位移转至局部坐标系下的位移的步骤；
根据局部坐标系下的位移和足-地作用力学模型获得局部坐标系下的足-地作用力的步骤；
将局部坐标系下的足-地作用力转至世界坐标系下的足-地作用力的步骤。
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