CN115618574A - 一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法 - Google Patents

一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法 Download PDF

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CN115618574A CN202211172636.5A CN202211172636A CN115618574A CN 115618574 A CN115618574 A CN 115618574A CN 202211172636 A CN202211172636 A CN 202211172636A CN 115618574 A CN115618574 A CN 115618574A
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伍鑫
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Abstract

本发明涉及一种用于水下机器人‑机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，通过Adams软件采用广泛流行的多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法自动建立系统的动力学模型，Matlab软件中的可视化仿真工具Simulink建立控制系统，从而对水下机器人‑机械臂系统进行仿真，得到对应输入下机械臂的作业对本体的耦合影响作用。

Description

一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真 方法
技术领域
本发明属于机器人和海洋工程研究的前沿领域，涉及的是一种自主作业水下机器人-机械臂系统(Underwater Vehicle Manipulator System，UVMS)的仿真方法。更具体地说是在多刚体系统动力学模型的基础上，在Adams与Matlab软件之中对其进行联合仿真。
背景技术
海洋覆盖了整个地球表面的三分之二，对人类未来的生活和生存都有着巨大的影响。UVMS可以帮助人类更好地认识海洋的真实面貌，了解现存的海洋环境问题，从而针对不同的海洋环境问题做出特定的措施保护地球上的海洋资源，在和谐共处的基础之上便可以绿色有效的利用海洋资源为人类造福。在机器人技术的发展中，水下机械臂在水下机器人执行海底设备的安装与维护、海底网络的铺设与检测、海底管道的探查和维修等海洋任务中都发挥着越来越重要的作用。
然而，目前这些任务主要由载人潜水器和遥操作水下机器人(Remotely OperatedVehicle,ROV)执行，它们都配备一个或多个机械臂。尽管ROV已被公认为科学和工程界的巨大资产，但其性能仍存在局限性。其缺点主要表现在：
(1)ROV和载人潜水器通常是大型重型机器人，需要定制的大型母船支援(运输、发射与回收)；
(2)复杂的用户界面信息和较高的信息延迟，显著增加了ROV的潜水成本和人力投入；
(3)任务需求经常要求操作人员连续工作数小时，且对操作人员的操作技术要求较高；
(4)ROV需要脐带电缆为其提供能源，脐带电缆的存在带来了额外的控制问题以及极大限制了作业时的灵活性。
而对于空间机器人-机械臂系统和移动机械臂系统尽管已经获得了许多有价值的研究成果，但是水下机器人-机械臂系统与之相比仍然存在巨大的技术差异和困难。首先其不同于基座固定的陆地或空间机器人-机械臂系统，水下机器人-机械臂系统属于浮游基多刚体系统；其次机械臂操作过程中，机械手与机器人本体之间的耦合运动不仅遵循动量矩守恒，而且还会受到额外的水动力影响；以及机械臂作业过程中重浮心的变化产生的恢复力与恢复力矩会导致机器人大幅的侧倾和俯仰。针对这些问题总结出其困难主要表现在：
(1)难以获得机器人本体、机械臂以及作业环境的准确模型，特别是水动力模型；
(2)水下机器人-机械臂系统是非线性、强耦合的多输入多输出运动学冗余系统，整体控制难度较大；
(3)对于机械臂和机器人本体之间的耦合影响难以用数学模型来描述。
综上所述，对于水下机器人-机械臂系统的模型建立及其仿真对于实际应用具有极大的指导意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法。
技术方案
一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在Creo三维建模软件中对水下机器人-机械臂系统的各个部件进行实体建模，并在Creo软件中进行装配得到水下机器人-机械臂系统的装配体，并保存为Parasolid(*.x_t)格式文件；
步骤2：在Adams中创建新模型，并将上一步骤中生成的Parasolid(*.x_t)格式文件导入模型；
步骤3：对新导入的模型各个部件进行材料属性定义，由Adams自动求解得到各个部件的质量特性、惯性属性以及质心位置；
步骤4：根据机械臂实际的运动情况为各个关节施加约束，添加运动副；所述的运动副包括固定副和旋转副；
步骤5：对各个运动副施加驱动力矩，后续定义为输入变量，作为Matlab联合仿真中Adams的输入；
步骤6：利用Adams/View模块试验运行水下机器人-机械臂系统在重力作用下的仿真，根据仿真结果确认机械系统的建模正确无误；
步骤7：对机械臂添加水动力，采用Adams中三分量广义力来模拟机械臂所受到的水动力；
步骤8：确定Adams的输入输出变量，在定义输入变量前将步骤6用于试验分析的驱动输入改为0，其中输入变量为机械臂各个转动关节的驱动力矩，输出为机械臂各个关节角的变化量；
步骤9：在Adams/Controls模块选择确定之前建立好的输入输出单元变量，并选择联合仿真控制软件为Matlab，分析类型为非线性，求解器选择交互式的FORTRAN，从而生成.m、.cmd、.adm、.txt四个文件以便Matlab加载调用；
步骤10：在Matlab中运行.m文件加载该模型的相关参数以及输入输出，并在命令行输入adams_sys，即Adams与Matlab接口命令，显示adams_sys的模块窗口；
步骤11：将adams_sys的模块窗口中的adams_sub模块以及输出模块拖拽到新建的Simulink窗口中并设置软件交互仿真参数；
步骤12：在步骤11中新建的Simulink窗口里进行控制系统建模，所述的控制系统包括机械臂的轨迹发生器、PD控制器和系统的姿态反馈系统，其中轨迹发生器包括逆运动学解算和轨迹规划；
步骤13：对机械臂的轨迹发生器中的逆运动学解算部分进行数学建模，从而得到机械臂末端执行器到达期望位置时机械臂的姿态，即机械臂的各个期望关节角；
步骤14：在步骤13已求得的期望关节角的基础上进行轨迹规划得到机械臂各个关节角的函数变化过程；
步骤15：将步骤14中计算得出的各关节角的函数变化过程作为输入即期望轨迹，与输出实际轨迹来的姿态反馈信息进行作差得到关节角的误差，输入到PD控制器，在PD控制器的作用下输出的力矩直接作用于机器人-机械臂系统从而使系统运动构成完整的仿真系统；设置Matlab仿真参数，执行水下机器人-机械臂系统的联合仿真，从而得到机械臂的关节角实际变化过程、耦合影响作用下机器人姿态的变化和其产生的速度与加速度。
本发明进一步的技术方案：步骤7中的利用近似的经验公式莫里森公式计算水动力，其表达式如下：
Figure BDA0003863915080000041
其中，ρ为流体密度，D为机械臂连杆的等效直径，v为流体流速，CD为阻力系数，CM为附加质量力系数；
具体添加时采用Adams中三分量广义力来模拟：
Figure BDA0003863915080000042
Figure BDA0003863915080000051
本发明进一步的技术方案：步骤13机械臂的各个期望关节角获取过程如下：
首先已知机械臂末端执行器的目标在机械臂基座坐标下的位置，根据机械臂逆运动学求解得到各个关节角q＝[π/6,π/2,-π/2,-π/6]，则机械臂各个关节在上述所求关节角qi下末端执行器便可到达目标位置进行作业，其具体计算过程如下
Figure BDA0003863915080000052
其中
Figure BDA0003863915080000053
为四自由度机械臂的末端执行器位置姿态矩阵，Ti i-1(i＝1,2,3,4)为相领关节坐标系i到坐标系i-1的齐次变换矩阵，tij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为末端执行器姿态矩阵的各项，0x4,0y4,0z4分别为位置矩阵各项，tij和0x4,0y4,0z4具体表达式如下：
Figure BDA0003863915080000054
Figure BDA0003863915080000055
其中，
Figure BDA0003863915080000056
di为机械臂连杆偏距，ai为机械臂连杆长度，qi为机械臂关节角，αi为机械臂转角，di、ai、qi和αi均为机械臂的D-H参数；在已知末端执行器位置与姿态时便可根据(4)式和(5)式求解得到各个机械臂关节角qi。
本发明进一步的技术方案：步骤14中机械臂各个关节角的函数变化获取过程如下：
在所求期望机械臂的关节角基础之上，进行机械臂的轨迹规划，采用五次多项式进行轨迹规划，具体过程如下：
五次多项式的表达式如下
q(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5 (4)
其初始约束条件为
Figure BDA0003863915080000061
其终止约束条件为
Figure BDA0003863915080000062
将约束条件(7)式和(8)式代入(6)式可以得到一个含有六个方程六个未知数的方程组对其求解可得六个系数ai(i＝1～6)；从而得到机械臂期望关节角、关节角速度和关节角加速度的函数如下所示
Figure BDA0003863915080000063
一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上所述的方法。
有益效果
本发明提供的一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，通过Adams软件采用广泛流行的多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法自动建立系统的动力学模型，Matlab软件中的可视化仿真工具Simulink建立控制系统，从而对水下机器人-机械臂系统进行仿真，得到对应输入下机械臂的作业对本体的耦合影响作用。与现有技术相比，具备以下的技术优点：
(1)不依赖精确的数学模型，利用Adams的系统自动建模功能便可以满足实际仿真需求；
(2)利用莫里森公式计算得到的水动力近似模拟了实际流体作用在作业机械臂上的水动力，大大节省了流体力计算时间。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1Adams与Matab联合仿真流程图。
图2机械臂连杆水动力添加示意图。
图3机械臂运动控制框图。
图4整体联合仿真结构图。
图5机械臂期望关节角、角速度和角加速度：(a)期望关节角变化；(b)期望关节角速度变化；(c)期望关节角加速度变化。
图6机械臂期望与实际关节角变化：(a)关节1；(b)关节2；(c)关节3；(d)关节4。
图7机械臂作业时机器人本体所受耦合影响：(a)机器人本体沿各坐标轴位移；(b)机器人本体沿各坐标轴加速度；(c)机器人本体绕各坐标轴角速度；(d)机器人本体绕各坐标轴角加速度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如附图1所示为本发明一种基于Adams与Matlab软件的水下作业机器人仿真方法的实施例框图，包括Adams/View的整个作业机器人与机械臂动力学仿真模块、Adams/Control的控制虚拟样机系统模块和Matlab/Simulink控制系统模块。
联合仿真方法具体实施方式如下：
(1)首先在Creo软件中对作业机器人每个部件进行三维实体建模并装配形成装配体，并将其保存为Parasolid(*.x_t)格式文件；导入新建的Adams模型中；并依次为各个部件进行材料属性定义，由Adams软件自动计算并求解各个部件的质量属性、惯性属性以及质心位置；根据机械臂的实际运动情况对水下机器人-机械臂各个系统进行约束施加，添加运动副，包括平移副、固定副和旋转副；在添加过运动副的位置上进行驱动力矩添加，同时将其定义为系统输入单元，作为后续联合仿真中的输入变量；利用Adams/View模块试运行系统在重力作用下的仿真结果用来判断系统建模是否正确；并对机械臂各个连杆添加水动力，利用近似的经验公式莫里森公式计算水动力，其表达式如下：
Figure BDA0003863915080000081
其中ρ为流体密度，D为机械臂连杆的等效直径，v为流体流速，CD为阻力系数，CM为附加质量力系数，需要依靠经验或者实验测定。具体添加时采用Adams中三分量广义力来模拟，计算如式(2)所示，添加示意图如附图2所示
Figure BDA0003863915080000091
定义Adams的输入输出变量，其中输入变量为机械臂各个转动关节的驱动力矩，输出为机械臂各个关节角的变化量；在Adams/Controls模块选择确定之前建立好的输入输出单元变量，并选择联合仿真控制软件为Matlab，分析类型为非线性，求解器选择交互式的FORTRAN，从而生成.m、.cmd、.adm、.txt四个文件以便Matlab加载调用；最终导出同Adams进行联合仿真分析的控制软件Matlab的虚拟样机系统。
(2)在Matlab中运行上一步所生成的.m文件，加载虚拟样机系统的各种参数以及检查输入输出是否与上一步设置相同，然后在命令行键入adams_sys(Adams与Matlab接口命令)，在Simulink显示adams_sys的模块窗口，在adams_sub模块与输出模块基础之上进行控制系统建立，控制系统框图如附图3所示，包括使机械臂按照期望轨迹运动的轨迹发生器、控制机械臂按照期望运动方式运动的PD控制器和整个机器人-机械臂系统的姿态反馈系统；
(3)假设模拟静水环境下水下机器人-机械臂系统作业(即机械臂展开)过程，首先已知机械臂末端执行器的目标在机械臂基座坐标下的位置，根据机械臂逆运动学求解得到各个关节角q＝[π/6,π/2,π/2,π/6]，则机械臂各个关节在上述所求关节角qi下末端执行器便可到达目标位置进行作业，其具体计算过程如下
Figure BDA0003863915080000092
其中
Figure BDA0003863915080000093
为四自由度机械臂的末端执行器位置姿态矩阵，Ti i-1(i＝1,2,3,4)为相领关节坐标系i到坐标系i-1的齐次变换矩阵，tij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为末端执行器姿态矩阵的各项，0x4,0y4,0z4分别为位置矩阵各项，tij和0x4,0y4,0z4具体表达式如下
Figure BDA0003863915080000101
Figure BDA0003863915080000102
其中，
Figure BDA0003863915080000103
di为机械臂连杆偏距，ai为机械臂连杆长度，qi为机械臂关节角，αi为机械臂转角，di、ai、qi和αi均为已知量如附表1所示，统称为机械臂的D-H参数。在已知末端执行器位置与姿态时便可根据(4)式和(5)式求解得到各个机械臂关节角qi。
表1机械臂标准D-H参数表
Figure BDA0003863915080000104
(4)在上一步所求期望机械臂的关节角基础之上，进行机械臂的轨迹规划(这里的轨迹是指机械臂各个关节角的函数变化过程，从而使末端可以随着关节角函数变化到达目标位置)。采用五次多项式进行轨迹规划，具体过程如下
五次多项式的表达式如下
q(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5 (13)
其初始约束条件为
Figure BDA0003863915080000111
其终止约束条件为
Figure BDA0003863915080000112
将约束条件(7)式和(8)式代入(6)式可以得到一个含有六个方程六个未知数的方程组对其求解可得六个系数ai(i＝1～6)。从而得到机械臂期望关节角、关节角速度和关节角加速度的函数如下所示
Figure BDA0003863915080000113
(5)在上述基础上，在Matlab中调用机器人工具箱中的模块来搭建逆运动学求解模块和轨迹规划模块，与之前控制模块、虚拟样机adams_sub系统一同组成联合仿真整个系统，其整体仿真结构如附图4所示，便可进行联合仿真对机械臂的各个关节实际运动情况、机器人本体的姿态结果和其产生的速度与加速度进行分析。
仿真分析
如图5所示，根据逆运动学解算求出期望关节角、角速度和角加速度的变化规律，在单关节PD控制器作用下，机械臂各个关节角变化如图6所示，在机械臂作业展开过程中，浮游基的机器人本体受到了机械臂展开的耦合影响，机器人本体在耦合影响作用下本体的质心位移、质心加速度、绕轴角速度和绕轴角加速度变化如图7所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在Creo三维建模软件中对水下机器人-机械臂系统的各个部件进行实体建模，并在Creo软件中进行装配得到水下机器人-机械臂系统的装配体，并保存为Parasolid(*.x_t)格式文件；
步骤2：在Adams中创建新模型，并将上一步骤中生成的Parasolid(*.x_t)格式文件导入模型；
步骤3：对新导入的模型各个部件进行材料属性定义，由Adams自动求解得到各个部件的质量特性、惯性属性以及质心位置；
步骤4：根据机械臂实际的运动情况为各个关节施加约束，添加运动副；所述的运动副包括固定副和旋转副；
步骤5：对各个运动副施加驱动力矩，后续定义为输入变量，作为Matlab联合仿真中Adams的输入；
步骤6：利用Adams/View模块试验运行水下机器人-机械臂系统在重力作用下的仿真，根据仿真结果确认机械系统的建模正确无误；
步骤7：对机械臂添加水动力，采用Adams中三分量广义力来模拟机械臂所受到的水动力；
步骤8：确定Adams的输入输出变量，在定义输入变量前将步骤6用于试验分析的驱动输入改为0，其中输入变量为机械臂各个转动关节的驱动力矩，输出为机械臂各个关节角的变化量；
步骤9：在Adams/Controls模块选择确定之前建立好的输入输出单元变量，并选择联合仿真控制软件为Matlab，分析类型为非线性，求解器选择交互式的FORTRAN，从而生成.m、.cmd、.adm、.txt四个文件以便Matlab加载调用；
步骤10：在Matlab中运行.m文件加载该模型的相关参数以及输入输出，并在命令行输入adams_sys，即Adams与Matlab接口命令，显示adams_sys的模块窗口；
步骤11：将adams_sys的模块窗口中的adams_sub模块以及输出模块拖拽到新建的Simulink窗口中并设置软件交互仿真参数；
步骤12：在步骤11中新建的Simulink窗口里进行控制系统建模，所述的控制系统包括机械臂的轨迹发生器、PD控制器和系统的姿态反馈系统，其中轨迹发生器包括逆运动学解算和轨迹规划；
步骤13：对机械臂的轨迹发生器中的逆运动学解算部分进行数学建模，从而得到机械臂末端执行器到达期望位置时机械臂的姿态，即机械臂的各个期望关节角；
步骤14：在步骤13已求得的期望关节角的基础上进行轨迹规划得到机械臂各个关节角的函数变化过程；
步骤15：将步骤14中计算得出的各关节角的函数变化过程作为输入即期望轨迹，与输出实际轨迹来的姿态反馈信息进行作差得到关节角的误差，输入到PD控制器，在PD控制器的作用下输出的力矩直接作用于机器人-机械臂系统从而使系统运动构成完整的仿真系统；设置Matlab仿真参数，执行水下机器人-机械臂系统的联合仿真，从而得到机械臂的关节角实际变化过程、耦合影响作用下机器人姿态的变化和其产生的速度与加速度。
2.根据权利要求1所述的用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，其特征在于步骤7中的利用近似的经验公式莫里森公式计算水动力，其表达式如下：
Figure FDA0003863915070000021
其中，ρ为流体密度，D为机械臂连杆的等效直径，v为流体流速，CD为阻力系数，CM为附加质量力系数；
具体添加时采用Adams中三分量广义力来模拟：
Figure FDA0003863915070000031
3.根据权利要求1所述的用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，其特征在于步骤13机械臂的各个期望关节角获取过程如下：
首先已知机械臂末端执行器的目标在机械臂基座坐标下的位置，根据机械臂逆运动学求解得到各个关节角q＝[π/6,-π/2,π/2,-π/6]，则机械臂各个关节在上述所求关节角qi下末端执行器便可到达目标位置进行作业，其具体计算过程如下
Figure FDA0003863915070000032
其中
Figure FDA0003863915070000033
为四自由度机械臂的末端执行器位置姿态矩阵，Ti i-1(i＝1,2,3,4)为相领关节坐标系i到坐标系i-1的齐次变换矩阵，tij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为末端执行器姿态矩阵的各项，0x4,0y4,0z4分别为位置矩阵各项，tij和0x4,0y4,0z4具体表达式如下：
Figure FDA0003863915070000034
Figure FDA0003863915070000041
其中，
Figure FDA0003863915070000042
di为机械臂连杆偏距，ai为机械臂连杆长度，qi为机械臂关节角，αi为机械臂转角，di、ai、qi和αi均为机械臂的D-H参数；在已知末端执行器位置与姿态时便可根据(4)式和(5)式求解得到各个机械臂关节角qi。
4.根据权利要求3所述的用于水下机器人-机械臂系统的Adams/Matlab联合仿真方法，其特征在于步骤14中机械臂各个关节角的函数变化获取过程如下：
在所求期望机械臂的关节角基础之上，进行机械臂的轨迹规划，采用五次多项式进行轨迹规划，具体过程如下：
五次多项式的表达式如下
q(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5 (4)
其初始约束条件为
Figure FDA0003863915070000043
其终止约束条件为
Figure FDA0003863915070000044
将约束条件(7)式和(8)式代入(6)式可以得到一个含有六个方程六个未知数的方程组对其求解可得六个系数ai(i＝1～6)；从而得到机械臂期望关节角、关节角速度和关节角加速度的函数如下所示
Figure FDA0003863915070000051
5.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116184860A (zh) * 2023-04-27 2023-05-30 北京国领智能科技有限公司 磁吸履带式爬壁机器人动力学建模与控制方法

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