一种基于Simscape Multibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统技术方案

一种基于Simscape Multibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，它属于多足机器人运动控制技术领域。本发明专利技术解决了现有方法未将机器人的运动姿态，稳定性以及控制方法融合到对机器人运动系统的可靠性验证的问题。本发明专利技术建立包含模型导入模块、坐标系关系转换模块、关节转动模块、驱动与约束模块、步行足轨迹规划模块、运动学逆解模块和关节控制器模块的仿真模型，将机器人的运动姿态，稳定性以及控制方法融合到了对机器人运动系统的可靠性验证中，这样既能形象直观的观察多足机器人的三维运动状态，又能根据运动结果产生的位置和姿态数据验证机器人相关控制算法的可靠性。本发明专利技术可以应用于多足机器人虚拟样机运动控制仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统
本专利技术属于多足机器人运动控制
，具体涉及一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统。
技术介绍
随着科学技术的迅猛发展以及海洋资源开发需求日益扩大，针对近海海底环境下海洋设施巡检、海洋资源勘探及数据采集、近海侦查、防御与救援等领域的诸多任务，因此需要研发一种两栖仿蟹多足机器人来完成以上作业任务需求，两栖仿蟹多足机器人的结构如图1所示。两栖仿蟹多足机器人的设计研究交叉融合了多学科、多领域的技术，其爬行模式中的运动控制问题是两栖仿蟹多足机器人研究课题中的一项关键内容，同时也是机器人研究内容中的关键技术难点，其运动控制技术的可靠性决定了两栖仿蟹多足机器人的作业效率和智能化水平，也是保证机器人完成特定作业任务的重要前提。因此，有必要对控制策略的可行性从仿真实现上进行研究验证。但是现有的控制方法仿真主要是二维或者三维轨迹跟踪曲线结果仿真，对于机器人的运动姿态，稳定性以及控制方法融合到机器人运动系统中的可靠性验证效果不能体现。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有方法未将机器人的运动姿态，稳定性以及控制方法融合到对机器人运动系统的可靠性验证的问题，而提出了一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，所述系统包括模型导入模块、坐标系关系转换模块、关节转动模块、驱动与约束模块、步行足轨迹规划模块、运动学逆解模块和关节控制器模块，其中：在模型导入模块中导入多足机器人装配模型，并定义多足机器人的关节重量以及关节质心；在坐标系关系转换模块中定义坐标转换参数，并建立各关节之间的坐标系转换关系；在关节转动模块中建立关节之间的转动关系；在驱动与约束模块中为每条足的髋关节、股关节和胫关节三个转动关节添加驱动，并添加步行足足末端点与地面环境接触的约束条件；在步行足轨迹规划模块中，完成多足机器人三角步态各步行足运动顺序的规划并提供多足机器人步行足末端点运动轨迹；运动学逆解模块根据逆运动学分析计算结果求出对应运动轨迹下步行足各关节的转动角度，将求出的转动角度作为期望角度传递给关节控制器模块，作为关节控制器模块的控制输入；将期望角度与机器人步行足反馈的实际运动角度作差，将作差后的误差e代入关节控制器模块中，再根据关节重量以及关节质心、关节之间的坐标系转换关系、关节之间的转动关系计算出关节控制力τ，将关节控制力τ作为关节控制器模块的控制输出传递给驱动与约束模块，驱动与约束模块驱动多足机器人装配模型的每条足运动；同时将多足机器人装配模型各步行足的各关节实际运动角度位置反馈给关节控制器模块，实现多足机器人运动控制的仿真过程。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，本专利技术将机器人的运动姿态，稳定性以及控制方法融合到了对机器人运动系统的可靠性验证中，这样不仅能形象直观的观察多足机器人的三维运动状态，还可以根据运动结果产生的位置和姿态数据验证机器人相关控制算法的可靠性，提高了对机器人运动系统可靠性验证的科学性和合理性。附图说明图1为两栖仿蟹多足机器人的结构示意图；图2为两栖仿蟹多足机器人步序定义的示意图；图3为SolidWorks中建立的两栖仿蟹多足机器人三维模型图；图4为建立的两栖仿蟹多足机器人SimscapeMultibody仿真模型图；图5(a)为驱动关节模块图；图5(b)为力接触约束模块图；图6为两栖仿蟹多足机器人可视化仿真模型图；图7为机器人运动控制仿真平台原理图；图8为步行足轨迹规划模块的示意图；图9为机器人步行足关节控制器模块的示意图；图10为两栖仿蟹多足机器人运动控制仿真平台的示意图；图11(a)为机器人步行足关节1的轨迹跟踪控制仿真图；图11(b)为机器人步行足关节2的轨迹跟踪控制仿真图；图11(c)为机器人步行足关节3的轨迹跟踪控制仿真图；图11(d)为各关节的运动轨迹误差图；图12为两栖仿蟹多足机器人直行运动状态图；图13(a)为仿蟹机器人直行重心变化曲线图；图13(b)为仿蟹机器人直行姿态角变化曲线图。具体实施方式具体实施方式一、本实施方式所述的一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，所述系统包括模型导入模块、坐标系关系转换模块、关节转动模块、驱动与约束模块、步行足轨迹规划模块、运动学逆解模块和关节控制器模块，其中：在模型导入模块中导入多足机器人装配模型，并定义多足机器人的关节重量以及关节质心；在坐标系关系转换模块中定义坐标转换参数，并建立各关节之间的坐标系转换关系；在关节转动模块中建立关节之间的转动关系；在驱动与约束模块中为每条足的髋关节、股关节和胫关节三个转动关节添加驱动，并添加步行足足末端点与地面环境接触的约束条件；在步行足轨迹规划模块中，完成多足机器人三角步态各步行足运动顺序的规划并提供多足机器人步行足末端点运动轨迹；运动学逆解模块根据逆运动学分析计算结果求出对应运动轨迹下步行足各关节的转动角度，将求出的转动角度作为期望角度传递给关节控制器模块，作为关节控制器模块的控制输入；将期望角度与机器人步行足反馈的实际运动角度作差，将作差后的误差e代入关节控制器模块中，再根据关节重量以及关节质心、关节之间的坐标系转换关系、关节之间的转动关系计算出关节控制力τ，将关节控制力τ作为关节控制器模块的控制输出传递给驱动与约束模块，驱动与约束模块驱动多足机器人装配模型的每条足运动；同时将多足机器人装配模型各步行足的各关节实际运动角度位置反馈给关节控制器模块，实现多足机器人运动控制的仿真过程。具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述多足机器人装配模型是利用SolidWorks软件创建并导出的。具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述的逆运动学分析计算结果为：式中：a1,a2,a3分别为髋关节、股关节和胫关节长度；θ1,θ2,θ3分别表示髋关节、股关节和胫关节转角；si表示sinθi，ci表示cosθi，i＝1,2,3；Px,Py,Pz分别表示多足机器人步行足末端点的位置坐标。具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式三不同的是，所述在步行足轨迹规划模块中，完成多足机器人三角步态各步行足运动顺序的规划并提供多足机器人步行足末端点运动轨迹；其具体过程为：如图2所示，首先规定两栖仿蟹机器人的步行足顺序，定义多足机器人正向运动的左侧足由前至后分别为L1，L2，L3，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Simscape Multibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，其特征在于，所述系统包括模型导入模块、坐标系关系转换模块、关节转动模块、驱动与约束模块、步行足轨迹规划模块、运动学逆解模块和关节控制器模块，其中：/n在模型导入模块中导入多足机器人装配模型，并定义多足机器人的关节重量以及关节质心；/n在坐标系关系转换模块中定义坐标转换参数，并建立各关节之间的坐标系转换关系；/n在关节转动模块中建立关节之间的转动关系；/n在驱动与约束模块中为每条足的髋关节、股关节和胫关节三个转动关节添加驱动，并添加步行足足末端点与地面环境接触的约束条件；/n在步行足轨迹规划模块中，完成多足机器人三角步态各步行足运动顺序的规划并提供多足机器人步行足末端点运动轨迹；/n运动学逆解模块根据逆运动学分析计算结果求出对应运动轨迹下步行足各关节的转动角度，将求出的转动角度作为期望角度传递给关节控制器模块，作为关节控制器模块的控制输入；将期望角度与机器人步行足反馈的实际运动角度作差，将作差后的误差e代入关节控制器模块中，再根据关节重量以及关节质心、关节之间的坐标系转换关系、关节之间的转动关系计算出关节控制力τ，将关节控制力τ作为关节控制器模块的控制输出传递给驱动与约束模块，驱动与约束模块驱动多足机器人装配模型的每条足运动；/n同时将多足机器人装配模型各步行足的各关节实际运动角度位置反馈给关节控制器模块，实现多足机器人运动控制的仿真过程。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，其特征在于，所述系统包括模型导入模块、坐标系关系转换模块、关节转动模块、驱动与约束模块、步行足轨迹规划模块、运动学逆解模块和关节控制器模块，其中：
在模型导入模块中导入多足机器人装配模型，并定义多足机器人的关节重量以及关节质心；
在坐标系关系转换模块中定义坐标转换参数，并建立各关节之间的坐标系转换关系；
在关节转动模块中建立关节之间的转动关系；
在驱动与约束模块中为每条足的髋关节、股关节和胫关节三个转动关节添加驱动，并添加步行足足末端点与地面环境接触的约束条件；
在步行足轨迹规划模块中，完成多足机器人三角步态各步行足运动顺序的规划并提供多足机器人步行足末端点运动轨迹；
运动学逆解模块根据逆运动学分析计算结果求出对应运动轨迹下步行足各关节的转动角度，将求出的转动角度作为期望角度传递给关节控制器模块，作为关节控制器模块的控制输入；将期望角度与机器人步行足反馈的实际运动角度作差，将作差后的误差e代入关节控制器模块中，再根据关节重量以及关节质心、关节之间的坐标系转换关系、关节之间的转动关系计算出关节控制力τ，将关节控制力τ作为关节控制器模块的控制输出传递给驱动与约束模块，驱动与约束模块驱动多足机器人装配模型的每条足运动；
同时将多足机器人装配模型各步行足的各关节实际运动角度位置反馈给关节控制器模块，实现多足机器人运动控制的仿真过程。


2.根据权利要求1所述的一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，其特征在于，所述多足机器人装配模型是利用SolidWorks软件创建并导出的。


3.根据权利要求1所述的一种基于SimscapeMultibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，其特征在于，所述的逆运动学分析计算结果为：






式中：a1,a2,a3分别为髋关节、股关节和胫关节长度；θ1,θ2,θ3分别表示髋关节、股关节和胫关节转角；si表示sinθi，ci表示cosθi，i＝1,2,3；Px,Py,Pz分别表示多足机器人步行...

【专利技术属性】
技术研发人员：范金龙，万磊，黄祥宏，秦洪德，李晓佳，李凌宇，陈欣岩，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23