CN115447692A - 一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法，属于多足仿真机器人技术领域。本发明包括机器人主体，膝关节，髋关节，上肢体和下肢体，髋关节设置在机器人主体下方边缘处，上肢体的一端与髋关节连接，上肢体的另一端与膝关节连接，下肢体与膝关节连接；仿真方法包括以下步骤：步骤一：在三维建模软件中建立多足机器人的三维实体模型，并规划其运动轨迹；步骤二：处理模型数据，将建立的三维实体模型导入动力学仿真软件中进行搭建并加以分析；步骤三：对动力学仿真软件中的多足机器人进行运动学驱动，对多足机器人的运动轨迹进行仿真，并对仿真结果进行分析。该研究能缩短开发周期，增强性能，提高开发效率。
Description
技术领域
本发明涉及多足仿真机器人技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法。
背景技术
在多足仿真机器人领域，各国开展了深入研究，突破仿生柔顺机构、移动感知能力、平衡性、动力计算、动态运动能力、步态规划等成了各国研究的重要方向，虚拟样机技术可以结合生物运动特型，在虚拟软件中进行模拟计算，对运动学以及动力学进行分析，帮助设计人员对产品进行性能测试，能缩短开发周期，提高开发效率。
目前在机器人足部轨迹规划中，往往采用正运动学和逆运动学等方法通过matlab等软件进行规划，需要找到足部或者关节的运动轨迹方程，例如，圆形的轨迹参数方程X轴＝半径*sin(time)，y轴＝半径*cos(time),但是在实际的案例中，机器人的运动过程较为复杂，靠参数方程并不能满足真实的运动，例如在崎岖的地面，以及越障，以及跳跃转行走、trot步态与walk步态转换等问题。
可见，目前多足机器人在系统仿真过程中仍存在问题，机器人的运动过程较为复杂，靠参数方程并不能满足真实的运动，对于应用场景要求要是十分熟悉，才能完成运作。因此，产品存在局限性小，应用范围小，动力计算复杂和仿真效率低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法，通过三维建模软件Catia和动力学仿真软件Adams联合仿真，来解决局限性小，应用范围小，动力计算复杂和仿真效率低等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人，包括机器人主体、膝关节、髋关节、上肢体和下肢体，所述髋关节设置在所述机器人主体下方边缘处，所述上肢体的一端与所述髋关节连接，所述上肢体的另一端与所述膝关节连接，所述下肢体与所述膝关节连接；
一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法包括以下步骤：
步骤一：在三维建模软件中建立多足机器人的三维实体模型，并规划其运动轨迹；
步骤二：处理模型数据，将建立的三维实体模型导入动力学仿真软件中进行搭建并加以分析；
步骤三：对动力学仿真软件中的多足机器人进行运动学驱动，对所述多足机器人的运动轨迹进行仿真，并对仿真结果进行分析。
优选的，在步骤一中，所述规划多足机器人的运动轨迹的方法为将肢体的初始位置规划出来，足部轨迹规划，将足部轨迹用点面复制分成等份。
优选的，在步骤二中，所述处理模型数据的方法为获取XYZ坐标的增量值，并与时间坐标以试验数据导入动力学仿真软件中形成数据函数。
优选的，在步骤二中，将建立的三维实体模型导入动力学软件中进行搭建的方法为将模型运动副进行搭建，主要在各关节处设置转动副。
优选的，在步骤三中，所述运动学驱动的方法为以足迹末端点进行点驱动，调用样条函数驱动模型，运动后取各关节Z轴转动位移，再删除足部驱动，通过曲线数据驱动膝关节和髋关节。
优选的，在步骤三中，所述运动学为逆运动学。
优选的，在步骤三中，所述仿真结果进行分析的方法为对仿真处理后得到的力矩、位移、加速度、速度等随时间的变化曲线进行分析。
优选的，在步骤一中，所述的三维建模软件为Catia。
优选的，在步骤二中，所述的动力学仿真软件为Adams。
因此，本发明采用上述结构的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，本发明利用多软件进行联合仿真，发挥了各软件的优势，提高了仿真的效率，解决了局限性小，应用范围小的问题，提高了开发效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法实施例的结构示意图；
图2为本发明一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法实施例的足部轨迹图；
图3为本发明一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法实施例的立体图；
图4为本发明一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法实施例的仿真Y轴曲线图；
图5为本发明一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法实施例的仿真髋关节曲线图；
图6为本发明一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人及仿真方法实施例的仿真数据曲线图；
图中：1、机器人主体，2、髋关节，3、上肢体，4、膝关节，5、下肢体，6、足部轨迹。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人包括机器人主体1，膝关节4，髋关节2，上肢体3和下肢体5，髋关节3设置在机器人主体1下方边缘处，上肢体3的一端与髋关节2连接，上肢体3的另一端与膝关节4连接，下肢体5与膝关节4连接；
一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法包括以下步骤：
步骤一：在三维建模软件中建立多足机器人的三维实体模型，并规划其运动轨迹；
步骤二：处理模型数据，将建立的三维实体模型导入动力学仿真软件中进行搭建并加以分析；
步骤三：对动力学仿真软件中的多足机器人进行运动学驱动，对所述多足机器人的运动轨迹进行仿真，并对仿真结果进行分析。
具体表现为在catia中草图将腿部的初始位置规划出来，足部轨迹6规划，将足部轨迹6用点面复制分成等份；在catia中将这些点存成igs格式，在点云模块将igs导入，再导出为ASC格式，将XYZ轴坐标提取，需将初始运动点的坐标进行减除，获得xyz坐标的增量值，详见表1。
表1
第一列为时间坐标，第二列是XYZ轴坐标增量，以试验数据导入adams形成数据函数，如图4。在adams中将模型运动副进行搭建，主要在各关节处设置转动副；运用逆运动学，在adams中以足迹末端点进行点驱动，调用样条函数驱动模型，运行后提取各关节的Z轴转动位移，如图5。将足部驱动删除，通过曲线数据驱动膝关节3和髋关节2，从而实现了任意轨迹驱动多足机器人；模型仿真后，可从后处理中得到力矩、位移、加速度、速度等随时间的变化曲线，为设计产品提供了理论依据，如图6。
因此，本发明采用上述结构的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，本发明利用多软件进行联合仿真，发挥了各软件的优势，提高了仿真的效率；提供了全新多足机器人研究的理论方法，可规划任意多足机器人步态以及运动轨迹进行规划，可不局限于参数方程；可针对仿生物真实轨迹进行模拟，继而可以得到各个关节的驱动力，为动力计算和选型提供了依据；本发明适用于多足机器人，不仅限于二足、四足机器人等，适用范围广。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人，其特征在于：包括机器人主体、膝关节、髋关节、上肢体和下肢体，所述髋关节设置在所述机器人主体下方边缘处，所述上肢体的一端与所述髋关节连接，所述上肢体的另一端与所述膝关节连接，所述下肢体与所述膝关节连接。
2.一种如权利要求1所述的基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在三维建模软件中建立多足机器人的三维实体模型，并规划其运动轨迹；
步骤二：处理模型数据，将建立的三维实体模型导入动力学仿真软件中进行搭建并加以分析；
步骤三：对动力学仿真软件中的多足机器人进行运动学驱动，对所述多足机器人的运动轨迹进行仿真，并对仿真结果进行分析。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤一中，所述规划多足机器人的运动轨迹的方法为将肢体的初始位置规划出来，规划足部轨迹，将足部轨迹用点面复制分成等份。
4.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤二中，所述处理模型数据的方法为获取XYZ坐标的增量值，并与时间坐标以试验数据导入动力学仿真软件中形成数据函数。
5.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤二中，将建立的三维实体模型导入动力学软件中进行搭建的方法为将模型运动副进行搭建，主要在各关节处设置转动副。
6.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤三中，所述多足机器人运动学驱动的方法为以足迹末端点进行点驱动，调用样条函数驱动模型，运动后取各关节Z轴转动位移，再删除足部驱动，通过曲线数据驱动膝关节和髋关节。
7.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤三中，所述仿真结果进行分析的方法为对仿真处理后得到的力矩、位移、加速度、速度随时间的变化曲线进行分析。
8.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤一中，所述的三维建模软件为Catia。
9.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤二中，所述的动力学仿真软件为Adams。
10.根据权利要求2所述的一种基于虚拟样机技术的多足运动仿真机器人的仿真方法，其特征在于：在步骤三中，所述运动学为逆运动学。
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