CN114492000A - 基于Modelica的足式机器人建模系统、方法、设备及介质 - Google Patents

基于Modelica的足式机器人建模系统、方法、设备及介质 Download PDF

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张宝坤
惠立新
樊晓璇
鲍丙瑞
丁吉
周凡利
陈立平
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Abstract

本发明提供一种基于Modelica的足式机器人建模系统、方法、设备及介质，所述基于Modelica的足式机器人建模方法包括：构建足式机器人多体动力学仿真模型；获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。该基于Modelica的足式机器人建模方法改善了现有技术中无法基于足式机器人运动过程中的动力学特性设计可靠性较高的足式机器人系统的问题。

Description

基于Modelica的足式机器人建模系统、方法、设备及介质
技术领域
本发明涉及工程系统建模仿真技术领域，尤其涉及一种基于Modelica的足式机器人建模系统、方法、设备及介质。
背景技术
当今，机器人的机械能力逐步改善，机动性逐步加强，更先进的传感器、数据处理系统和通信网络将装配在机器人上，展望未来战场，进攻与防守都极可能在机器人之间进行，大量机器人的投入将成为未来战场的发展趋势。
此外，机器人也可执行其他特定任务，如复杂地面环境下较大重量物资搬运、生化武器沾染区内侦察及救援等，具有广阔的应用前景。足式仿生机器人以足式生物为仿生对象，具有明显的非连续支撑特点，相对于轮式、履带式、球形和蛇形移动机器人，对未知、非结构环境具有很好的适应能力，能够在野外复杂环境下进行探测、运输、救援和军事辅助等任务，现已倍受各国机器人研究人员的重视。
但由于足式机器人其系统结构变得越来越复杂,呈现多学科、多专业强耦合的特性。不仅对其正常功能、性能的设计提出了高的要求,而且对其运动和控制性能也提出了很高的要求。所以,在足式机器人设计的早期建立足式机器人的多体动力学模型，进行足式机器人动力学仿真，对足式机器人运动过程中的动力学特性进行分析，根据动力学特性对机器人系统结构进行校核，对于提高机器人系统可靠性、安全性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Modelica的足式机器人建模系统、方法、设备及介质，该基于Modelica的足式机器人建模方法能够解决现有技术中无法基于足式机器人运动过程中的动力学特性设计可靠性较高的足式机器人系统的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例提供一种基于Modelica的足式机器人建模方法，所述方法具体包括：
构建足式机器人多体动力学仿真模型；
获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；
在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；
对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；
对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置，对需要添加驱动的所述运动副添加驱动。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步地，所述构建足式机器人多体动力学仿真模型，包括：
基于Modelica语言和足式机器人机械结构的装配关系建立足式机器人多体动力学仿真模型，其中，所述足式机器人多体动力学仿真模型为足式机器人多体动力学仿真模型；
基于Modelica语言构建所述足式机器人多体动力学仿真模型的外形模块、运动副模块和姿态转换模块，其中，所述外形模块包括所述足式机器人多体动力学仿真模型的机体构件、小腿构件和足端构件
进一步地，所述在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化，包括：
将所述外形模块与所述标准三维几何文件进行关联，并在导入所述标准三维几何文件时指名所述标准三维几何文件的路径和位置。
进一步地，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，包括：
根据足式机器人实际的质量参数对所述外形模块的构件参数进行设置，其中，所述构件参数包括构件质量、质点位置、转动惯量和初始化数据。
进一步地，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，还包括：
根据所述外形模块在三维空间中的运动关系，设置运动副的转轴方向和初始运动信息；
对需要添加驱动的所述运动副模块进行设置，生成外部信号接口。
进一步地，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，还包括：
对所述姿态转换模块进行参数设置，确定相邻构件之间的相对位置和姿态关系。
进一步地，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置，包括：
设置接触模块，基于所述接触模块设置地面的刚度阻尼，模拟不同的地面环境；
对需要添加驱动的所述运动副添加驱动，将对角小跑模块的输出信号转换为物理信号输出到所述运动副，控制所述运动副的转动。
一种基于Modelica的足式机器人建模系统，包括：
构建模块，用于构建足式机器人多体动力学仿真模型；
获取模块，用于获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；
关联模块，用于在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；
设置模块，用于对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。
一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如所述方法的步骤。
一种非暂态计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
本发明具有如下优点：
本发明中的基于Modelica的足式机器人建模方法，构建足式机器人多体动力学仿真模型；获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。在足式机器人设计的早期建立足式机器人的多体动力学模型，进行足式机器人动力学仿真，对足式机器人运动过程中的动力学特性进行分析，根据动力学特性对机器人系统结构进行校核，对于提高机器人系统可靠性、安全性具有重要意义；解决了现有技术中无法基于足式机器人运动过程中的动力学特性设计可靠性较高的足式机器人系统的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于Modelica的足式机器人建模方法的流程图；
图2为本发明基于Modelica的足式机器人建模系统的框图；
图3为本发明足式机器人机械结构仿真模型图；
图4为本发明足式机器人多体动力学仿真模型图；
图5为本发明足式机器人的三维模型图；
图6为本发明提供的设备实体结构示意图。
附图标记说明
构建模块10，获取模块20，关联模块30，设置模块40，设备50，处理器501，存储器502，总线503，外形模块60，机体构件601，小腿构件602，足端构件603，运动副模块70，姿态转换模块80，接触模块90，对角小跑模块100，信号转换模块110，地面模块120。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1为本发明基于Modelica的足式机器人建模方法实施例流程图，如图1-图5所示，本发明实施例提供的一种基于Modelica的足式机器人建模方法包括以下步骤：
S101，构建足式机器人多体动力学仿真模型；
具体的，基于Modelica语言和足式机器人机械结构的装配关系建立足式机器人多体动力学仿真模型，其中，所述足式机器人多体动力学仿真模型为足式机器人多体动力学仿真模型；
基于Modelica语言构建所述足式机器人多体动力学仿真模型的外形模块60、运动副模块70和姿态转换模块80，其中，所述外形模块60包括所述足式机器人多体动力学仿真模型的机体构件601、小腿构件602和足端构件603。
足式机器人机械结构主要由机体和四条腿组成，每条腿由小腿构件602和足端构件603组成，图3中机体构件601、小腿构件602和足端构件603都由Modelica中的BodyShape模块(体型模块)表示。小腿构件602和机体构件601、足端构件603和小腿构件602之间均由运动副模块70进行连接，运动副模块70起连接作用和驱动作用。不同的构件之间相对位置通过姿态转换模块80进行确定。
S102，获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；
具体的，如图5所示，在三维CAD软件中建立足式机器人各零件的三维模型,并导出为标准三维几何文件,如stl、dxf或hsf等格式的文件。
S103，在创建足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将足式机器人多体动力学仿真模型与标准三维几何文件进行关联，使足式机器人多体动力学仿真模型可视化；
具体的，将所述外形模块60与所述标准三维几何文件进行关联，并在导入所述标准三维几何文件时指名所述标准三维几何文件的路径和位置。
利用MWorks.Sysplorer(多领域统一建模与仿真分析软件)；基于Modelica语言规范,按照足式机器人机械结构装配关系,建立足式机器人多体动力学仿真模型,在创建足式机器人多体动力学仿真模型的过程中,将Modelica中BodyShape模块与标准三维几何文件进行关联,外部导入三维几何文件时指明所述三维几何文件的路径、位置。
MWorks.Sysplorer是面向多领域工业产品的系统级综合设计与仿真验证平台，完全支持多领域统一建模规范Modelica，遵循现实中拓扑结构的层次化建模方式，支撑基于模型的系统工程应用。
MWorks.Sysplorer支持工业设计知识的模型化表达和模块化封装，支持基于物理拓扑的快速系统模型集成与设计验证，支持多方案优选及设计参数优化，以知识可重用、系统可重构方式，为工业企业的设计知识积累与产品创新设计提供了有效的技术支撑，对及早发现产品设计缺陷、快速验证设计方案、全面优化产品性能、有效减少物理验证次数等具有重要价值。
S104，对可视化后的足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；
具体的，根据足式机器人实际的质量参数对所述外形模块60的构件参数进行设置，其中，所述构件参数包括构件质量、质点位置、转动惯量和初始化数据。
BodyShape模块参数设置：
对于BodyShape模块关联足式机器人三维几何文件后，可以根据所设计机器人实际的质量参数对模型中各个构件的参数进行设置，包括构件质量，质心位置和转动惯量以及部分初始化数据，所述初始化数据,是指模型解算的初始时刻的取值,主要包括三维部件的名称、三维部件的形状、三维部件的颜色和材质、三维部件的初始运动状态、三维部件的初始位置和姿态,所述三维部件的初始位置和姿态采用标架坐标表示即原点、x轴、y轴和z轴,包括三维部件的位置坐标和旋转角度。
根据所述外形模块60在三维空间中的运动关系，设置运动副的转轴方向和初始运动信息；
运动副模块70参数设置：
以转动副为例，根据足式机器人各构件在三维空间中的运动关系，设置转动副模块的转轴方向以及运动副的初始运动信息，包括初始角度和角速度等，对于需要添加驱动的运动副需要对其进行设置，生成外部信号接口。
对需要添加驱动的所述运动副模块70进行设置，生成外部信号接口。
对所述姿态转换模块80进行参数设置，确定相邻构件之间的相对位置和姿态关系。
S105，对可视化后的足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。
具体的，设置接触模块90，基于所述接触模块90设置地面的刚度阻尼，模拟不同的地面环境；
对需要添加驱动的所述运动副添加驱动，将对角小跑模块100的输出信号转换为物理信号输出到所述运动副，控制所述运动副的转动。
如图4所示，足式机器人运动仿真过程中需要与地面接触，利用接触模块90连接机器人足端构件603与地面模块120，模拟机器人足端与地面接触的相互作用，接触模块90可以设置地面的刚度阻尼系数，可以模拟不同的地面环境。
在搭建的足式机器人多体动力学仿真模型过程中，对运动副模块70添加驱动；对角小跑模块100的输出信号通过信号转换模块110，将一般信号转换为物理信号输出到转动副，控制转动副的转动，从而实现足式机器人的运动。
通过所述足式机器人多体动力学仿真模型，可以分析机器人运动过程中各关节的动力学特性，以及足端与地面的相互作用对机器人运动和机体结构的影响，对足式机器人整机的设计校核以及运动性分析具有重要意义。
本发明采用的Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言,针对涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建具有天然的优势。
本发明采用基于Modelica语言的足式机器人多体动力学建模方法，相比纯数学公式的多体动力学建模方法更简单快捷，可以与数学推导的动力学方程进行相互验证。
本发明采用基于Modelica语言的足式机器人多体动力学建模方法，仿真结果可以进行可视化分析，结合三维动画和曲线进行运动分析，提高模型的调试效率和建模准确性。
图2为本发明基于Modelica的足式机器人建模系统实施例流程图；如图2所示，本发明实施例提供的一种基于Modelica的足式机器人建模系统，包括以下步骤：
构建模块10，用于构建足式机器人多体动力学仿真模型；
获取模块20，用于获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；
关联模块30，用于在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；
设置模块40，用于对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。
图6为本发明实施例提供的设备实体结构示意图，如图6所示，设备50包括：处理器501(processor)、存储器502(memory)和总线503；
其中，处理器501、存储器502通过总线503完成相互间的通信；
处理器501用于调用存储器502中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：构建足式机器人多体动力学仿真模型；获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。
本实施例提供一种非暂态计算机可读介质，非暂态计算机可读介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：构建足式机器人多体动力学仿真模型；获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述方法具体包括：
构建足式机器人多体动力学仿真模型；
获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；
在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；
对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置；
对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置，对需要添加驱动的所述运动副添加驱动。
2.根据权利要求1所述的基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述构建足式机器人多体动力学仿真模型，包括：
基于Modelica语言和足式机器人机械结构的装配关系建立足式机器人多体动力学仿真模型；
基于Modeli ca语言构建所述足式机器人多体动力学仿真模型的外形模块、运动副模块和姿态转换模块，其中，所述外形模块包括所述足式机器人多体动力学仿真模型的机体构件、小腿构件和足端构件。
3.根据权利要求2所述的基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化，包括：
将所述外形模块与所述标准三维几何文件进行关联，并在导入所述标准三维几何文件时指名所述标准三维几何文件的路径和位置。
4.根据权利要求3所述的基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，包括：
根据足式机器人实际的质量参数对所述外形模块的构件参数进行设置，其中，所述构件参数包括构件质量、质点位置、转动惯量和初始化数据。
5.根据权利要求4所述的基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，还包括：
根据所述外形模块在三维空间中的运动关系，设置运动副的转轴方向和初始运动信息；
对需要添加驱动的所述运动副模块进行设置，生成外部信号接口。
6.根据权利要求5所述的基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，还包括：
对所述姿态转换模块进行参数设置，确定相邻构件之间的相对位置和姿态关系。
7.根据权利要求2所述的基于Modeli ca的足式机器人建模方法，其特征在于，所述对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置，对需要添加驱动的所述运动副添加驱动，包括：
设置接触模块，基于所述接触模块设置地面的刚度阻尼，模拟不同的地面环境；
对需要添加驱动的所述运动副添加驱动，将对角小跑模块的输出信号转换为物理信号输出到所述运动副，控制所述运动副的转动。
8.一种基于Modelica的足式机器人建模系统，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建足式机器人多体动力学仿真模型；
获取模块，用于获取绘制三维几何零件图导出的标准三维几何文件；
关联模块，用于在创建所述足式机器人多体动力学仿真模型的过程中，将所述足式机器人多体动力学仿真模型与所述标准三维几何文件进行关联，使所述足式机器人多体动力学仿真模型可视化；
设置模块，用于对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行参数设置，对可视化后的所述足式机器人多体动力学仿真模型进行驱动设置。
9.一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中的任一项所述的方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中的任一项所述的方法的步骤。
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