基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法技术

本发明专利技术提供一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法，可以准确的反映机器人在行走时的稳定性，还可以为机器人原型机的电机选择提供参考，更可以为原型机PID控制等提供相关重要参数。具体包括基于SolidWorks两栖球形机器人整体模型、基于ADAMS的两栖球形机器人简化模型、基于ADAMS的两栖球形机器人动力学模型、基于ADAMS的两栖球形机器人运动学模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下自主航行器
，涉及一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法。
技术介绍
水下自主航行器/机器人作为一个高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下机器人用于完成不同的任务时，其形状、大小、运动方式等就有着不同的要求。如果考虑到对周围环境的影响，则对于水下机器人的驱动方式也会有一定的限制。在最近几十年中，采用流线型外形结构和传统螺旋桨驱动的大中型水下机器人(米级、分米级)的发展已经达到了实用化的程度。然而，随着水下自主航行器/机器人功能和应用的不断拓展，对其在海底复杂狭小空间环境下的应用需求日益迫切，例如：海底管道内的检测及维护、珊瑚礁内生物的监测、海底岩缝中矿物采样等。由于传统的水下自主航行器/机器人采用螺旋桨推进，使用舵控制其方向，其转向半径较大，无法实现狭窄空间内的灵活运动。同时，其巨大的体形和动力系统在作业时对环境造成了较大的扰动，不适用于高隐蔽性和生物亲和性的应用，如军事侦查、生物样本采集、环境监测等。相对于流线型结构，球形结构由于对称，能承受相对更加高的水下压力，具有更大的内部空间和运载能力，更易于实现小型和紧凑化设计，且易于实现精确的运动控制和静态姿态稳定。采用球形结构的水下自主航行器/机器人可在水下狭小空间内实现多自由度的灵活运动，能够实现零半径旋转。在河底、海底运动时，由于表面无棱角，更能适应布满水草或海藻等的环境。同时，由于球形结构对水体扰动相对较小，环境隐蔽性和生物亲和性得到了较好的改善。国内围绕球形水下机器人开展研究的单位主要包括哈尔滨工程大学、北京邮电大学等单位。2007年，哈尔滨工程大学仿生微机器人实验室所研制的一款球形水下潜器，其球体直径为0.22m，空气中质量为5.6kg，采用两个喷水电机作为驱动装置，并设有两个入水口和两个出水口。该球形水下潜器采用姿态传感器信号反馈调整的控制方法对自身的运动控制，但由于其动力系统设计相对粗放，运动灵活性有限，机动性较差。2010北京邮电大学的孙汉旭教授和兰晓娟博士等人也对球形水下机器人进行了相关的研究。兰晓娟博士等人发表了一些相关论文介绍了内置姿态调节机构的球形水下机器人BYSQ-2的结构构型、工作原理和性能参数，其球体直径为0.54m，空气中质量约为80kg。该球形水下机器人是通过其内部的双驱动转向机构与螺旋桨推进器的配合来实现六个自由度的水下运动。但该设计的体型较大，在浅水、沼泽、滩涂等环境下的生存能力有限。现有机器人制作周期长，设计成本高，而且在设计过程中计算量巨大，直观性较差。因此在机器人制作之前，对其进行准确的三维建模和动力学分析是必须的，机器人的运动学模型不仅可以描述各个关节的运动与机器人质心以及足端之间的关系，还可以为机器人原型机的运动控制和轨迹规划提供重要参考，因此建模是一项非常重要的基础工作。到目前为止，也有一些学者对动力学仿真做了大量的工作，但是由于自然界中生物的步态较多，所以选择一种适合机器人稳定的行走步态是非常必要的，目前基于ADAMS仿真环境的仿生四足机器人运动建模和力学仿真的研究不多，而且不能准确反映机械性能。现有水下自主航行器/机器人和球形水下机器人存在以下问题：(1)现有水下自主航行器/机器人多采用流线形外形结构和螺旋桨推进，其单向运动速度较高，但由于体型和转向半径较大，无法实现水下狭窄复杂环境(如珊瑚礁、管道内、岩石夹缝等)下的灵活运动和精密作业。同时，其巨大的外形和和动力系统在作业时对环境造成了较大的扰动，不适用于高隐蔽性和生物亲和性的应用，如军事侦查、生物样本采集、环境监测等。(2)现有的球形水下机器人在一定程度上利用了球形结构的优点，但其机动性和运动灵活性仍相当有限，未有效解决水下狭窄复杂环境下的工作问题。(3)现有的球形水下机器人采用的外形普遍较大，且只可实现水下螺旋桨推进，无法在浅水、沼泽、滩涂等近水环境下工作，其活动作业范围和生存能力有限。(4)现有的球形机器人虽然可以实现两栖运动，但是由于手工装配，制作精度较差，在行走的过程中容易出现部分零器件的松懈，导致机器人的稳定性日益减弱。(5)现有机器人制作周期长，设计成本高，稳定性不能满足特定的要求，目前基于ADAMS仿真环境的机器人运动建模和力学仿真的研究很少，而且不能准确反映机械性能。针对上述问题，本专利技术提出的基于3D打印的两栖球形机器人，由于其独特的结构，用传统的采用力学模型建立机器人的方法，不仅设计周期长，成本高，设计过程中计算量巨大，而且直观性较差。因此，本专利技术采用基于改进的DH参数建立机器人的雅克比矩阵，通过三维建模软件SolidWorks和动力学仿真软件ADAMS进行机器人的建模与实际的行走测试，通过设定膝关节和髋关节的转动角度，以及各个关节的转动角速度，分析机器人的一些运动学和动力学特性，此运动学模型描述了各个腿关节的运动与足端位置和方向之间的关系。此专利技术中的运动学仿真结果可以准确的反映机器人在行走时的稳定性，还可以为机器人原型机的电机选择提供参考，更可以为原型机PID控制等提供相关重要参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法，可以准确的反映机器人在行走时的稳定性，还可以为机器人原型机的电机选择提供参考，更可以为原型机PID控制等提供相关重要参数。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法，包括以下步骤：步骤一、在SolidWorks环境中建立两栖球形机器人模型，并在SolidWorks中建立机器人的整体结构；步骤二、建立机器人的机身坐标系和相关的运动参数，以机器人中间平板的中心作为全局坐标系(Xb，Yb，Zb)的中心Ob，重力方向为Zb轴的负方向，Yb轴的方向为机器人的运动方向，以机器人髋关节旋转轴作为局部中心点O0,建立局部坐标系(X0，Y0，Z0),其方向和机器人的全局坐标系相同，设定机器人髋关节的摆动方向为水平面逆时针方向,L1为髋关节力臂，θ1为髋关节转动角度；以机器人膝关节旋转轴作为局部中心点O2,在机器人膝关节处建立局部坐标系(X2，Y2，Z2)，Y2轴负方向为机器人重力方向，X2轴正方向为机器人前进方向，膝关节在垂直平面上进行摆动；L2为髋关节与膝关节旋转轴的垂直距离，L3为膝关节力臂，θ2为膝关节的旋转角度；设定足端地面接触点为局部坐标系(X2，Y2，Z2)的中心点03，L4为膝关节旋转轴与足端接触点的垂直距离；步骤三、假定右前腿髋关节的位置向量为{x,y,z本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在SolidWorks环境中建立两栖球形机器人模型，并在SolidWorks中建立机器人的整体结构；步骤二、建立机器人的机身坐标系和相关的运动参数，以机器人中间平板的中心作为全局坐标系(Xb，Yb，Zb)的中心Ob，重力方向为Zb轴的负方向，Yb轴的方向为机器人的运动方向，以机器人髋关节旋转轴作为局部中心点O0,建立局部坐标系(X0，Y0，Z0),其方向和机器人的全局坐标系相同，设定机器人髋关节的摆动方向为水平面逆时针方向,L1为髋关节力臂，θ1为髋关节转动角度；以机器人膝关节旋转轴作为局部中心点O2,在机器人膝关节处建立局部坐标系(X2，Y2，Z2)，Y2轴负方向为机器人重力方向，X2轴正方向为机器人前进方向，膝关节在垂直平面上进行摆动；L2为髋关节与膝关节旋转轴的垂直距离，L3为膝关节力臂，θ2为膝关节的旋转角度；设定足端地面接触点为局部坐标系(X2，Y2，Z2)的中心点03，L4为膝关节旋转轴与足端接触点的垂直距离；步骤三、假定右前腿髋关节的位置向量为{x,y,z}，根据齐次矩阵变换的计算公式，对两栖球形机器人的足端位姿矩阵进行分析，得到右腿足端的位置以及两器球形机器人的雅克比矩阵；步骤四、根据四足机器人的正向运动学，设机器人电机的位置用相对坐标位置向量P＝{px，py，pz}T表示，则两栖球形机器人各个关节的角度表示为θ1＝arctan(‑py/px)        (4)θ2=arctan2(±1-t2,t)-arctan2(pz,k)---(5):]]>t＝(r‑l1)2+pz2+l42‑l32/2l4，k=px2+py2-l1,r=px2+py2]]>由于机器人四条腿的运动机理基本相同，所以其他三条腿的正运动学也可以用同样的方法得到；步骤五、将SolidWorks中模型进行简化，即删除对运动学没有影响的复杂特征，然后将简化模型保存为*.XT格式，导入到ADAMS动力学仿真环境中，首先设定环境参数，刚体几何尺寸、材料类型或密度或质量参数；然后在ADAMS中导入真实地面作为机器人的行走环境，同时设定机器人足端与地面的接触，设定各刚体之间关节自由度数及关节类型，并在ADAMS中设定足端与地面刚体之间碰撞类型、摩擦约束及相关参数设定，最后根据实际要求，对机器人的膝关节和髋关节设定旋转副，并添加相应的驱动函数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法，其特
征在于，包括以下步骤：
步骤一、在SolidWorks环境中建立两栖球形机器人模型，并在SolidWorks
中建立机器人的整体结构；
步骤二、建立机器人的机身坐标系和相关的运动参数，以机器人中间平板
的中心作为全局坐标系(Xb，Yb，Zb)的中心Ob，重力方向为Zb轴的负方向，
Yb轴的方向为机器人的运动方向，以机器人髋关节旋转轴作为局部中心点O0,
建立局部坐标系(X0，Y0，Z0),其方向和机器人的全局坐标系相同，设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭书祥，石立伟，何彦霖，潘邵武，唐昆，肖瑞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11