液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法
【专利摘要】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。
【专利说明】液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]液压驱动六足机器人仿真系统，它包括以下单元:
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的单元；
[0009]根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的单元。
[0010]液压驱动六足机器人仿真方法，该方法包括以下步骤:
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的步骤；
[0015]根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的步骤。
[0016]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为液压驱动六足机器人仿真方法的流程图；
[0018]图2为六足机器人结构示意图；
[0019]图3为机器人足与地面之间切向作用力模型图；
[0020]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】
[0021]【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:
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]根据足-地作用力获得机器人运动状态参数的单元；
[0026]根据机器人运动状态参数获得液压驱动系统参数的单元。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]【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:
[0030]采集机器人参数对六足机器人进行建模的单元；
[0031]采集地形参数对地形进行建模的单元；
[0032]对机器人的运动进行规划的单元；
[0033]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；
[0034]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；
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]表1可选择的简单地形
[0039]
【权利要求】
1.液压驱动六足机器人仿真系统，其特征在于，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。
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，Υ，其中Y为O; 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.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，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...，FnS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.液压驱动六足机器人仿真方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求6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，gamma，gamma为O ; 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。
9.根据权利要求6所述的液压驱动六足机器人仿真方法，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...，FnS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。
【文档编号】G05B17/02GK104200052SQ201410486182
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】高海波, 丁亮, 金马, 邓宗全, 刘逸群, 于海涛, 宋杨 申请人:哈尔滨工业大学