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

权利要求书

1.一种基于Simscape Multibody的多足机器人虚拟样机运动控制仿真系统，其特征在于，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。

2.根据权利要求1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，其特征在于，所述多足机器人装配模型是利用SolidWorks软件创建并导出的。

3.根据权利要求1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，其特征在于，所述的逆运动学分析计算结果为：

式中：a₁,a₂,a₃分别为髋关节、股关节和胫关节长度；θ₁,θ₂,θ₃分别表示髋关节、股关节和胫关节转角；s_i表示sinθ_i，c_i表示cosθ_i，i＝1,2,3；P_x,P_y,P_z分别表示多足机器人步行足末端点的位置坐标。

4.根据权利要求3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，其特征在于，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：

定义多足机器人正向运动的左侧足由前至后分别为L₁，L₂，L₃，右侧足由前至后分别为R₁，R₂，R₃，多足机器人以三角步态运动时，六条步行足分组顺序为：L₁、R₂、L₃步行足形成左三角，R₁、L₂、R₃步行足形成右三角，多足机器人以三角步态行走时，左三角步行足和右三角步行足依次交替处于支撑相和摆动相；

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_m为步行足摆动相周期，且T_m＝T/2，n为辅助参数。

5.根据权利要求4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，其特征在于，所述关节控制器模块的控制输出为：

τ＝τ₀+τ₁+τ₂ (4)

τ₂＝-M₀(θ)(Aζ+B+σ₀Psgn(ζ)) (7)

式中，τ₀为等效控制项，τ₁为干扰观测器的辅助控制项，τ₂为饱和补偿项；M₀(θ)为正定惯性矩阵；为科氏力和离心力项；g₀(θ)为重力和浮力项产生的恢复力项；θ∈R³、为多足机器人步行足关节角度、关节角速度矢量、期望关节角加速度矢量；为集总不确定性估计值；为关节角速度跟踪误差；S为设计全局快速终端滑模面；λ和μ为设计的正对角矩阵，λ＞0，μ＞0，p和q为奇数，且p＜q，k₁和k₂为控制参数，k₁,k₂＞0；ζ＝(ζ₁,ζ₂,ζ₃)^T为辅助系统的状态向量，ζ₁,ζ₂,ζ₃为状态向量ζ中的元素，A＝diag{a_i}_3×3为参数矩阵，a_i＞0，i＝1,2,3，B＝[b₁,b₂,b₃]^T为参数向量，b_i＞0；sgn(ζ)＝(sgn(ζ₁),sgn(ζ₂),sgn(ζ₃))^T，sgn(·)为符号函数，σ₀为已知常数，P＝diag{||p_i||}_3×3，p_i为控制增益矩阵的第i行。