基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法

技术领域

本发明属于水下自主航行器技术领域，涉及一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法。

背景技术

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，本发明提出的基于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，本发明采用基于改进的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。此发明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。

发明内容

本发明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。

实现本发明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(X_b，Y_b，Z_b)的中心O_b，重力方向为Z_b轴的负方向，Y_b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＝{p_x，p_y，p_z}^T表示，则两栖球形机器人各个关节的角度表示为

θ₁＝arctan(-p_y/p_x)(4)

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。

进一步地，选用生物界中两栖乌龟的爬行步态作为机器人的步态，并设定最佳的关节旋转角度，使机器人尽可能的进行稳定的行走，行走过程主要包括如下：

A.左前腿膝关节抬起300，接着左前腿髋关节向前摆动300。此时左前腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相；

B.右后腿膝关节抬起300，同时左前腿膝关节落下300，接着右后腿髋关节向前摆动300；此时右后腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相；

C.右前腿膝关节抬起300，同时右后腿膝关节落下300，接着右前腿髋关节向前摆动300；此时右前腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相；

D.左后腿膝关节抬起300，同时右前腿膝关节落下300，接着左后腿髋关节向前摆动300；此时左后腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相；

E.左后腿膝关节落下300，恢复到初始状态，接着进行下一周期的运动。

进一步地，所述机器人具有直径为250mm的球形外观，双重防水结构，上半球壳固定，下半球壳可开关。

进一步地，所述采用复合式的腿部结构，具有两栖环境适应性，其四条腿由喷水驱动方式完成水下运动，由八个电机控制完成陆地行走。

进一步地，对机器人的部分零件通过3D打印技术实现一体化装配。

本发明的有益效果：

(1)本发明在SolidWorks中完成机器人的零件设计和装配体的精确配合，部分结构采用3D打印的方式，这样不仅可以提高机器人的装配精度，减小误差，还可以提高整个机器人的稳定性。

(2)由于在SolidWorks中建立的完整三维模型过于复杂，零件过于繁多，故为了对机器人在ADAMS中进行精确的动力学仿真，适当的对机器人的一些特征进行删除，零件进行简化，但必须保证删除和简化的特征和零件不能对仿真结果造成影响。

(3)在ADAMS中设定真实地面作为机器人的行走环境，分别对四个足端设定接触约束，对膝关节设定合适的旋转约束，同时对各个关节设定相应的STEP函数作为驱动函数，真实的建模并仿真机器人的实际行走过程。

(4)基于PostProcessorADAMS2013机器人实际行走测试结果，可以快速的分析和修改机器人的一些运动学和动力学特性，缩短机器人的制作周期，降低机器人的制作成本，提高机器人的稳定性和效率。

具体实施方式

一种基于SolidWorks、ADAMS环境的两栖球形机器人仿真方法，具体包括：基于SolidWorks两栖球形机器人整体模型(A)、基于ADAMS的两栖球形机器人简化模型(B)、基于ADAMS的两栖球形机器人动力学模型(C)、基于ADAMS的两栖球形机器人运动学模型；

1、在SolidWorks环境中建立两栖球形机器人模型

在SolidWorks中建立机器人的整体结构，该机器人具有直径为250mm的球形外观，双重防水结构，上半球壳固定，下半球壳可开关。该机器人采用复合式的腿部结构，具有两栖环境适应性，其四条腿由喷水驱动方式完成水下运动，由八个电机控制完成陆地行走。通过增加加工成型的精度来提高整个球体的稳定性和防水性能。对机器人的部分零件通过3D打印技术实现一体化装配，减小误差。

2、简化机器人的改进D-H模型以及其雅克比矩阵

机器人四条腿的运动机理相同，每条腿分别由髋关节、膝关节和相应的连接组件组成，每条腿均有两个自由度，一个摆动自由度和一个滚动自由度。故以右前腿为例，首先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(X_b，Y_b，Z_b)的中心O_b，重力方向为Z_b轴的负方向，Y_b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。L₁为髋关节力臂，θ₁为髋关节的旋转角度，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。此外，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。

假定在上述坐标系中，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作如下分析

在这里我们定义c_i和s_i分别为cosθ_i和sinθ_i.根据两栖球形机器人的动力学仿真公式，右腿足端的位置为：

同时可以得到两器球形机器人的雅克比矩阵为：

根据四足机器人的正向运动学，假设机器人电机的位置可以用相对坐标位置向量P＝{p_x，p_y，p_z}^T表示，因此，两栖球形机器人各个关节的角度可以表示为

θ₁＝arctan(-p_y/p_x)(4)

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。

3、基于ADAMS的两栖球形机器人动力学模型

将SolidWorks中模型进行简化，即删除一些对运动学没有影响的复杂特征，比如删掉螺纹等特征，这样简化的结果可以使运动学仿真的结果更加准确。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等参数。接着在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。

本发明选用生物界中两栖乌龟的爬行步态作为机器人的步态，并设定最佳的关节旋转角度，使机器人尽可能的进行稳定的行走，行走过程主要包括如下：

A.左前腿膝关节抬起300，接着左前腿髋关节向前摆动300。此时左前腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相。

B.右后腿膝关节抬起300，同时左前腿膝关节落下300，接着右后腿髋关节向前摆动300。此时右后腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相。

C.右前腿膝关节抬起300，同时右后腿膝关节落下300，接着右前腿髋关节向前摆动300。此时右前腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相。

D.左后腿膝关节抬起300，同时右前腿膝关节落下300，接着左后腿髋关节向前摆动300。此时左后腿处于摆动相，其它三条腿处于支撑相。

E.左后腿膝关节落下300，恢复到初始状态，接着进行下一周期的运动。

ADAMS中具有相关的结构动力学动画演示功能，故两栖球形机器人实验样机在其环境中完成行走以后可实时显示机器人实验样机的动力学数据，相关的动力学仿真数据在PostProcessorADAMS2013中输出，进行动力学数据汇总和保存。