[发明专利]欠驱动双足步行机器人实时仿真系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种仿真技术领域的系统，特别是一种欠驱动双足步行机器人仿真系 统。涉及到机械系统动力学分析、控制科学与工程、虚拟设计与制造、计算机科学与软件工 程、数据处理等领域，主要用于欠驱动步行机器人的机械结构设计、动力学分析、控制算法 开发及对机器人进行实时控制和在线调试。

背景技术

欠驱动双足机器人的开发研究主要有两个方面的内容：实时控制和仿真试验。

实时控制是完成对实体机器人的实际控制，并记录数据，重点是试验调试和算法研究。 欠驱动机器人控制系统的主要任务是通过对对机器人各关节的控制，进而实现对机器人行走 时的姿态进行控制，使机器人能够平稳、快速和行走。在工具使用上控制系统有很多种形式， 对于欠驱动双足机器人的开发研究来说工控机肯定是最方便的，由于有WINDOWS操作系 统，开发控制软件和进行算法研究更为方便。

机器人动力学仿真能够对机器人的动态进行较为准确的预测，对机器人的机械结构设 计、控制算法开发及验证提供分析依据，与实际机器人加工调试相比能节省开发成本、提高 开发效率。

由于欠驱动双足机器人是一个高阶、非线性、强耦合的复杂机电系统，难以建立可用于 动力学分析和运动规划的显式有效的数学模型。随着计算技术的快速发展，用计算机软件能 建立复杂机械系统的三维实体模型和动力学模型，能完成虚拟样机模型建立和动力学求解。 虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术， 为机器人仿真分析带来很大的方便。

仿真试验是在系统里建立机器人虚拟样机模型，设计控制器，两者构成了机电一体化系 统的仿真平台，通过反复在平台上进行试验调试，得到欠驱动双足步行机器人的控制算法， 总结欠驱动双足步行机器人运行的规律。

目前，通过仿真试验来研究机器人的各种性能和特点，已经是机器人理论研究必备方法 之一。同时，仿真试验结果也为制造机器人提供了有效的参考依据。因此，机器人仿真系统 对理论和实践的价值、意义及作用是显而易见的。例如仿真系统利用计算机的计算功能和可 视化手段，模拟机器人的动态特性，有助于研究人员理解机器人的工作空间的形态及性能参 数。揭示机器人的运动学、动力学及有效的控制算法等，从而解决在机器人设计、制造和运 行过程中的问题，避免直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。

经过对现有技术的文献检索发现，能够完成所述各模块功能的软件和平台有很多，或是 单独完成联合仿真和实时控制功能，但都没有构成系统，在操作上没有本申请的仿真系统方 便，在功能上没有本申请的仿真系统全面。因此，开发一个仿真系统用于欠驱动双足步行机 器人的实时控制、仿真分析等用途是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种欠驱动双足步行机器人实时仿真系 统，使其能方便完成对欠驱动双足步行机器人的实时控制，以及模拟实际欠驱动双足步行机 器人的运动情况，真实反映欠驱动双足步行机器人的运动机理，能够进行控制器设计，机器 人机构设计，以供研制过程中机械结构设计、控制算法研究以及整体优化等方面。

本发明是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：

本发明包括：整个系统涉及到了实体机器人系统、实时控制平台、联合仿真平台、机电 一体化系统仿真平台四个大部分，四部分的连接关系参阅附图1，欠驱动双足步行机器人实 时仿真系统结构如图2所示。对仿真系统而言，重点在于对实时控制平台、联合仿真平台、 机电一体化仿真系统的开发。

所述的实时控制平台又分为数据采集模块、硬件驱动模块、OpenGL(Open Graphics Library)图形显示模块、实时控制算法模块、人机界面模块、数据导入导出模块、联合仿真 接口模块，所述的联合仿真平台包括欠驱动双足步行机器人仿真模块、数据处理模块，所述 的机电一体化系统仿真平台包括控制器仿真模块、联合仿真控制模块，其中：

所述实时控制平台的数据采集模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人传感器数据的获 取；

所述实时控制平台的硬件驱动模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人运动执行器的驱 动；

所述实时控制平台的数据导入导出模块，实现系统实时控制平台部分数据的导入和导 出；