液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法技术

本发明专利技术提供了一种液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法，其包括：通过足端轨迹规划模块，对液压四足机器人的足端轨迹进行规划，通过运动学模块得到液压四足机器人D

【技术实现步骤摘要】
液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法


[0001]本专利技术属于液压四足机器人仿真
，特别是一种液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法。

技术介绍

[0002]足式机器人作为目前重点发展领域机器人技术的一个分支，落足点是离散的而非连续的，能在很大程度上实现了机器人对地形的灵活适应性。因此足式机器人广泛应用于复杂地形、货物运输等领域。随着液压伺服技术、智能控制技术、新型制造技术和逆向工程等技术的高速发展，在复杂环境下，能够负重运输物资，并且能够快速响应的液压四足机器人成为当下的热点。液压机器人多是仿生设计，参照四足哺乳动物的运动模式对其进行步态规划，实现人类想要达到的运动状态，最终实现辅助人类完成复杂作业或代替人类完成对人类有危害的作业的目标。
[0003]液压四足机器人是一个复杂的系统，不仅如此，使用者对其可靠性、适应性以及其他的性能都有极高的要求，因此反复地设计和优化是机器人设计中的必要过程。在传统的设计方法中，需要制造样机、试验分析及修改方案等过程。这一过程成本高、周期长，而虚拟仿真技术的出现解决了这一问题。虚拟仿真系统结合计算机计算技术和图形处理技术，围绕机械的运动学、动力学和控制理论提供了一种新的设计方法。利用仿真系统，对机器人在不同工况下进行不断地测试、不断地改进，最终得到相对完美的设计方案。因此，虚拟仿真技术一经出现，就引起了各国学者广泛地关注，并将虚拟仿真技术引入到机器人研究中。如何能够更好地规划机器人的运动状态，使机器人按照自己想要的方式运动，成为广大学者的研究方向。因此，基于以上背景，寻求一种液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法以实现对液压四足机器人机电液控感仿真平台的搭建是十分必要且又相当迫切的。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述现有技术中的缺陷，提出一种液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法。该方法包括通过足端轨迹规划模块，对液压四足机器人的足端轨迹进行规划，通过运动学模块得到液压四足机器人D
‑
H坐标角，通过关节空间与液压驱动单元行程映射模块得到液压驱动单元期望行程，通过液压驱动单元位置控制模块得到液压驱动单元实际旋转角度和实际行程，在Matlab SimMechanics工具箱中建立动力学模型模块，根据各模块间信号流转与各关节驱动单元受力与负载力之间的关系，共同构建得到液压四足机器人机电液控感仿真平台，进而验证所建立的液压四足机器人机电液控感仿真平台的行程和速度结果的准确性。本专利技术借助Matlab中SimMechanics工具箱，对液压四足机器人进行模块化仿真设计，缩短设计和优化周期。
[0005]本专利技术提供一种液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法，其包括以下步骤：
[0006]S1、通过液压四足机器人的足端轨迹规划模块，对液压四足机器人的足端轨迹进
行规划，使其足端形成连续轨迹；
[0007]S11、选取液压四足机器人的实验步态，由五次多项式对足端进行轨迹规划；
[0008]S12、基于Matlab SimMechanics工具箱，利用足端轨迹规划方程搭建足端轨迹规划模块；
[0009]S2、以液压四足机器人足端坐标{X,Y,Z}为运动输入量，通过运动学模块得到液压四足机器人D
‑
H坐标角{CT1,CT2,CT3}；
[0010]S21、根据液压四足机器人各关节关系建立D
‑
H坐标系，并确定相应参数；
[0011]S22、根据D
‑
H坐标系和腿部结构参数，获得液压四足机器人运动学正解；
[0012]S23、根据D
‑
H坐标系、腿部结构参数和液压四足机器人运动学正解，获得液压四足机器人运动学逆解；
[0013]S24、以杆件长度a、足端坐标{X,Y,Z}为变量，利用函数关系，在Matlab SimMechanics工具箱中完成运动学模块搭建，得到液压四足机器人D
‑
H坐标角{CT1,CT2,CT3}；
[0014]S3、以液压四足机器人D
‑
H坐标角{CT1,CT2,CT3}作为驱动输入量，通过关节空间与液压驱动单元行程映射模块，得到液压驱动单元期望行程{CT1,L2,L3}；
[0015]S31、根据运动学逆解得到的液压四足机器人D
‑
H坐标角，得到液压驱动单元的行程；
[0016]S32、以θ1、θ2和θ3为变量，利用函数关系，在Matlab SimMechanics工具箱中完成对关节空间与液压驱动单元行程映射模块的搭建，得到液压驱动单元的期望行程{CT1,L2,L3}；
[0017]S4、以关节空间与液压驱动单元行程映射模块得到液压驱动单元的期望行程{CT1,L2,L3}、动力学模型采集回的力矩Torque与力Force作为负载力为实际驱动输入量，输入液压驱动单元位置控制模块，并得到液压驱动单元实际旋转角度Xc和实际行程{Xp2,Xp3}；
[0018]S5、根据液压四足机器人的机械结构，构建液压四足机器人的动力学模型模块，绘制液压四足机器人的三维模型，并设置材料和质量的相关属性，在Matlab SimMechanics工具箱中建立液压四足机器人的动力学模型模块；
[0019]S6、根据液压四足机器人的所述足端轨迹规划模块、运动学模块、关节空间与液压驱动单元行程映射模块、液压驱动单元位置控制模块和动力学模型模块间信号流转与各关节驱动单元受力与负载力之间的关系，共同构建得到液压四足机器人机电液控感仿真平台；
[0020]S7、验证所建立的液压四足机器人机电液控感仿真平台的行程和速度结果的准确性；
[0021]S71、对理论计算得到的液压驱动单元期望行程、液压驱动单元位置控制模块得到的液压驱动单元实际行程和机电液控感仿真平台测量得到的仿真行程进行验证；
[0022]S72、对液压四足机器人理论计算速度和仿真测量速度结果进行对比验证。
[0023]进一步，所述步骤S11具体包括以下步骤：
[0024]S111、支撑相时，液压四足机器人足端轨迹为：
[0025][0026]其中，c
zlj
表示着地相液压四足机器人足端z方向轨迹的第j次多项式系数，j＝0,1,
…
,5；T表示液压四足机器人单腿向前迈一步的周期；z
l
(t)表示支撑相时t时刻液压四足机器人足端z向坐标；x
l
(t)表示支撑相时t时刻液压四足机器人足端x向坐标；
[0027]S112、根据液压四足机器人Trot步态特点，式(1)的边界条件为：
[0028][0029]其中，z
l
(0),表示支撑相时液压四足机器人足端z向初始坐标、初始速度和初始加速度；S表示步长；分别表示支撑相时时刻液压四足机器人足端z向坐标、速度和加速度；v
t
表示着地相腿的速度；
[0030]S113本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、通过液压四足机器人的足端轨迹规划模块，对液压四足机器人的足端轨迹进行规划，使其足端形成连续轨迹；S11、选取液压四足机器人的实验步态，由五次多项式对足端进行轨迹规划；S12、基于Matlab SimMechanics工具箱，利用足端轨迹规划方程搭建足端轨迹规划模块；S2、以液压四足机器人足端坐标{X,Y,Z}为运动输入量，通过运动学模块得到液压四足机器人D
‑
H坐标角{CT1,CT2,CT3}；S21、根据液压四足机器人各关节关系建立D
‑
H坐标系，并确定相应参数；S22、根据D
‑
H坐标系和腿部结构参数，获得液压四足机器人运动学正解；S23、根据D
‑
H坐标系、腿部结构参数和液压四足机器人运动学正解，获得液压四足机器人运动学逆解；S24、以杆件长度a、足端坐标{X,Y,Z}为变量，利用函数关系，在Matlab SimMechanics工具箱中完成运动学模块搭建，得到液压四足机器人D
‑
H坐标角{CT1,CT2,CT3}；S3、以液压四足机器人D
‑
H坐标角{CT1,CT2,CT3}作为驱动输入量，通过关节空间与液压驱动单元行程映射模块，得到液压驱动单元期望行程{CT1,L2,L3}；S31、根据运动学逆解得到的液压四足机器人D
‑
H坐标角，得到液压驱动单元的行程；S32、以θ1、θ2和θ3为变量，利用函数关系，在Matlab SimMechanics工具箱中完成对关节空间与液压驱动单元行程映射模块的搭建，得到液压驱动单元的期望行程{CT1,L2,L3}；S4、以关节空间与液压驱动单元行程映射模块得到液压驱动单元的期望行程{CT1,L2,L3}、动力学模型采集回的力矩Torque与力Force作为负载力为实际驱动输入量，输入液压驱动单元位置控制模块，并得到液压驱动单元实际旋转角度Xc和实际行程{Xp2,Xp3}；S5、根据液压四足机器人的机械结构，构建液压四足机器人的动力学模型模块，绘制液压四足机器人的三维模型，并设置材料和质量的相关属性，在Matlab SimMechanics工具箱中建立液压四足机器人的动力学模型模块；S6、根据液压四足机器人的所述足端轨迹规划模块、运动学模块、关节空间与液压驱动单元行程映射模块、液压驱动单元位置控制模块和动力学模型模块间信号流转与各关节驱动单元受力与负载力之间的关系，共同构建得到液压四足机器人机电液控感仿真平台；S7、验证所建立的液压四足机器人机电液控感仿真平台的行程和速度结果的准确性；S71、对理论计算得到的液压驱动单元期望行程、液压驱动单元位置控制模块得到的液压驱动单元实际行程和机电液控感仿真平台测量得到的仿真行程进行验证；S72、对液压四足机器人理论计算速度和仿真测量速度结果进行对比验证。2.根据权利要求1所述的液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下步骤：S111、支撑相时，液压四足机器人足端轨迹为：其中，c
zlj
表示着地相液压四足机器人足端z方向轨迹的第j次多项式系数，j＝0,1,
…
,
5；T表示液压四足机器人单腿向前迈一步的周期；z
l
(t)表示支撑相时t时刻液压四足机器人足端z向坐标；x
l
(t)表示支撑相时t时刻液压四足机器人足端x向坐标；S112、根据液压四足机器人Trot步态特点，式(1)的边界条件为：其中，z
l
(0),表示支撑相时液压四足机器人足端z向初始坐标、初始速度和初始加速度；S表示步长；分别表示支撑相时时刻液压四足机器人足端z向坐标、速度和加速度；v
t
表示着地相腿的速度；S113、根据边界条件，计算得到液压四足机器人支撑相时的足端轨迹为：S114、摆动相时，液压四足机器人足端轨迹为：其中，c
zsj
表示摆动相液压四足机器人足端z方向轨迹的第j次多项式系数；c
xs1j
表示摆动相液压四足机器人足端x方向抬腿轨迹的第j次多项式系数；c
xs2j
表示摆动相液压四足机器人足端x方向落腿轨迹的第j次多项式系数；z
s
(t)表示摆动相时t时刻液压四足机器人足端z向坐标；x
s
(t)表示摆动相时t时刻液压四足机器人足端x向坐标；S115、根据液压四足机器人Trot步态特点，式(4)的边界条件为：
其中，分别表示摆动相时刻液压四足机器人足端z向坐标、速度和加速度；z
s
(T),分别表示摆动相T时刻液压四足机器人足端z向坐标、速度和加速度；分别表示摆动相时刻液压四足机器人足端x向坐标、速度和加速度；分别表示摆动相时刻液压四足机器人足端x向坐标、速度和加速度；x
s
(T),分别表示摆动相T时刻液压四足机器人足端x向坐标、速度和加速度；S116、根据边界条件，计算得到液压四足机器人摆动相时足端轨迹为：其中，H表示步高；S117、式(3)和式(6)组成液压四足机器人足端的一个步行周期轨迹，进而计算液压四足机器人Trot步态下的足端轨迹。3.根据权利要求1所述的液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括以下步骤：S221、根据D
‑
H坐标系内容，规定连杆关系：a
i
‑1表示从z
i
‑1到z
i
沿x
i
‑1的距离；α
i
‑1表示从z
i
‑1到z
i
沿x
i
‑1旋转的角度；d
i
表示从x
i
‑1到x
i
沿z
i
的距离；θ
i
表示从x
i
‑1到x
i
沿z
i
旋转的角度；2b表示机器人机身长度；2w表示机器人机身宽度；h表示机器人机身高度；S222、根据D
‑
H坐标系中连杆关系，当i＞1时，连杆i与连杆i
‑
1间的位姿转换关系式
S223、将液压四足机器人前腿单腿机械部分参数代入式(7)，得到液压四足机器人单腿足端至过渡坐标{0}运动学正解位姿变换矩阵为：其中，规定简写符号分别表示为S1＝sinθ1,C1＝cosθ1,S
23
＝sin(θ2+θ3),C
23
＝cos(θ2+θ3)；S224、从液压四足机器人机身过渡坐标系{0}至足端坐标系{4}的足端位置变换关系为：其中，分别表示液压四足机器人机身过渡坐标系{0}至足端坐标系{4}的足端x、y、z位置变换关系；所述步骤S23具体包括以下步骤：S231、根据D
‑
H坐标系，定义液压四足机器人足端坐标系{4}相对于液压四足机器人机身过渡坐标系{0}位姿变换关系式身过渡坐标系{0}位姿变换关系式其中，分别表示足端坐标系{4}中i单位主矢量相对于过渡坐标系{0}的方向余弦；分别表示足端坐标系{4}中j单位主矢量相对于过渡坐标系{0}的方向余弦；分别表示足端坐标系{4}中k单位主矢量相对于过渡坐标系{0}的方向余弦；S232、用和左乘得到：即：
S233、根据式(12)解得θ1、θ2、θ3，分别为：4.根据权利要求1所述的液压四足机器人机电液控感仿真平台搭建方法，其特征在于，所述步骤S31具体包括以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴凯先，朱琦歆，许梦凯，李信杰，孙璐轩，管锡康，袁立鹏，俞滨，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：