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

技术领域

本发明属于多足机器人运动控制技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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Simscape Multibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种基于Simscape Multibody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。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于Simscape Multibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，本发明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Simscape Multibody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Simscape Multibody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：a

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L

多足机器人步行足末端点运动轨迹为：

式中，t为时间变量，T为步行足的运动周期，R为步长参数，H为步行足抬腿高度，T

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述关节控制器模块的控制输出为：

τ＝τ

τ

式中，τ

实施例

基于Simscape Multibody技术的两栖仿蟹多足机器人虚拟样机控制仿真实验平台搭建具体操作步骤如下：

(1)首先将SolidWorks中建立的两栖仿蟹多足机器人三维模型导出为“.STL”文件，机器人模型如图3所示。

(2)建立基于Simscape Multibody的Simulink仿真模型控制框图。将导出的模型文件添加到仿真模型的“solid”模块中，并定义关节的重量、质心等参数；添加各关节之间的坐标系转换关系模块，并定义坐标转换参数；添加“Joint”关节模块建立关节的转动关系。建立好的两栖仿蟹多足机器人Simscape Multibody仿真模型如图4所示。

(3)添加驱动与约束模块

为了使各关节能够独立运动，需要为每条腿的髋关节、股关节和胫关节三个转动关节添加驱动，同时为了给机器人控制器提供反馈信号，也需要添加位置、速度、加速度以及力/力矩等反馈信号；此外，为了模拟与地面接触受力的运动状态，还需要使用SimscapeMultibody Contact Forces模块添加步行足足末端点与地面环境接触的约束条件，以保证机器人在仿真运动过程中存在地面约束使其在平面内运动。添加的驱动关节和地面约束模块如图5(a)、图5(b)所示。

(4)两栖仿蟹多足机器人可视化模型建立

上述三个步骤已经完成了机器人可视化仿真模型的搭建，此时运行仿真，即可在MATLAB可视化窗口Mechanics Explorer中看到搭建好的两栖仿蟹多足机器人模型，仿真得到的结果如图6所示。然而，由于缺少运动控制系统模块，机器人此时还不能运动，对于运动控制系统将在下面给出设计方案。

基于上述机器人仿真模型，接下来将三角步态、步行足运动轨迹以及运动控制策略融合到仿真模型中，建立机器人运动控制仿真平台。如图7为两栖六足机器人运动控制仿真平台原理图，由步行足轨迹规划模块、运动学逆解模块、控制器模块和机器人模型等四部分组成。

两栖仿蟹多足机器人运动控制仿真平台工作原理如下：步行足轨迹规划模块完成机器人三角步态各步行足运动顺序的规划并提供机器人步行足末端点运动轨迹，将运动轨迹位置传递给运动学逆解模块，该模块根据机器人正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，此时的角度为期望角度位置，然后将期望角度位置传递给关节控制器模块，根据机器人控制器的设计结果，利用期望角度θ

其中步行足轨迹规划模块主要是完成机器人按照规划步态和轨迹进行运动的任务，仿真验证采用三角步态，运动轨迹为公式(3)。

根据设计步态对机器人三角步态信号进行调试设计，将步态信号分为两组，分别为L1、L3、R2左三角组和R1、R3、L2右三角组，将两组控制信号和步行足轨迹结合并进行封装，如图7，通过该模块输出两组步行足在X、Y、Z方向上的轨迹，作为下一环节中逆运动学模块的输入信号，完成步行足轨迹规划模块的设计，如图8。

逆运动学模块根据机器人逆运动学推导计算结果，将上一环节计算的步行足末端轨迹转换为机器人步行足三个运动关节所需要转动的角度，并将计算得到的各关节转角输出给下一环节。

根据上一环节逆运动学计算结果可以得到机器人步行足按照预定轨迹运动时所需要转动的角度，并作为机器人步行足运动的期望角度，将期望角度作为改进控制器的控制输入，其中控制器的设计结果为式(4)至式(7)，基于以上结果将控制器模型融入机器人模型中，并将控制器模块进行封装，如图9所示，以机器人步行足关节模块提供的实际位置信息为反馈信号，利用改进控制器将控制力τ作为控制输出，控制机器人步行足各关节按照期望轨迹运动，实现机器人的运动控制。

最后将各个子模块封装，根据各模块任务建立两栖仿蟹多足机器人仿真平台，如图10所示，至此机器人的仿真平台已经搭建完成，该仿真实验平台可用于两栖仿蟹多足机器人步态规划、步行足轨迹以及步行足关节控制器等算法的仿真验证。

仿真结果

下面验证本发明基于Simscape Multibody技术的两栖仿蟹多足机器人虚拟样机控制仿真平台的可靠性。首先验证机器人步行足轨迹跟踪控制性能。设置两栖仿蟹多足机器人步行足的运动周期T为2s，步长R为30mm，抬腿高度H为50mm，仿真时间为10s，得到以下结果。

如图11(a)、图11(b)、图11(c)为机器人步行足运动控制仿真中髋关节、股关节和胫关节的期望角度轨迹和实际角度轨迹对比图，实线为通过逆运动学公式得到的各关节期望轨迹变化曲线，虚线为通过Simscape Multibody中关节传感器模块得到的实际轨迹变化曲线，图11(d)为各关节期望角度与实际轨迹之间的误差变化曲线。根据仿真结果显示，机器人步行足三个关节均能较好的跟随预定轨迹进行运动，三个关节的跟踪误差都表现为在运动时会有波动，但相对于步行足各关节的运动角度来说波动很小，均控制在0.2°以内。因此，两栖仿蟹多足机器人虚拟样机控制仿真实验平台对步行足轨迹跟踪控制可以满足机器人运动控制速度和精度要求，且具有较好的跟踪控制效果。

接下来验证机器人步行足按照期望轨迹式(3)并以三角步态运动的可靠性及稳定性。设置运动参数以运动周期为2s，步长为30mm，抬腿高度为50mm为例，仿真运动时间设置为30s，运行仿真得到以下结果：

如图12所示，为两栖仿蟹多足机器人在某仿真时间段内，以三角步态朝着偏角θ＝85°方向移动，图中显示了机器人以三角步态直行时的运动结果，为了更加直观的表述机器人在运动过程中重心位置的变化以及机器人的稳定性，利用Simscape Multibody中的“Bushing Joint”模块处理机器人重心变化相关数据，得到以下机器人重心位置变化曲线和机器人姿态角变化曲线。

如图13(a)为两栖仿蟹多足机器人直行运动时重心位置在X、Y、Z方向上的变化曲线，图13(b)为两栖仿蟹多足机器人直行运动时姿态角绕X、Y、Z轴的变化曲线。由图13(a)可知，两栖仿蟹多足机器人在30s内前进了约为1.1m的距离，速度约为36mm/s，与设计步长相差6mm，考虑机构配合误差因素的影响，基本满足设计需求；而且在前进运动时重心在Z方向变化很小，即机器人重心能够较好的保持水平面上，运动比较平稳，机体上下波动不大，在X、Y方向上的运动分量也比较均匀，没有较大的波动，但在开始运动瞬间有较大的突变，是由于机器人开始进入运动状态时受到仿真环境设置重力的影响，机器人步行足与地面之间因为力的作用使机器人初始位置发生变化，导致进入运动状态前的初始状态位置发生变化，但对机器人直行运动产生影响不大，因此，机器人的运动稳定性通过重心位置变化能够得到验证；由图13(b)可知，两栖仿蟹多足机器人在前进运动时，绕Z轴的姿态角始终保持在85°上下波动，没有出现较大的偏航，且机器人绕X、Y轴的姿态角也比较平稳，没有较大的波动，即机器人在运动过程中的横滚角和俯仰角变化不大，机体能够稳定运动。综上，通过重心位置变化曲线和姿态角变化曲线可以验证机器人在直行运动过程中具备较好的稳定性和直线行走性能。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。