[發明專利]基于SolidWorks、ADAMS環境的球形機器人綜合仿真方法

有效

• 申請號: 201610069088.1
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN105654836B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 石立偉;郭書祥;何彥霖;潘邵武
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 高燕燕

技術領域

本發明屬于水下自主航行器技術領域，涉及一種基于SolidWorks、ADAMS環境的球形機器人綜合仿真方法。

背景技術

水下自主航行器/機器人作為一個高技術儀器設備的集成體，在軍事、民用、科研等領域體現出廣闊的應用前景和巨大的潛在價值。水下機器人用于完成不同的任務時，其形狀、大小、運動方式等就有著不同的要求。如果考慮到對周圍環境的影響，則對于水下機器人的驅動方式也會有一定的限制。在最近幾十年中，采用流線型外形結構和傳統螺旋槳驅動的大中型水下機器人(米級、分米級)的發展已經達到了實用化的程度。然而，隨著水下自主航行器/機器人功能和應用的不斷拓展，對其在海底復雜狹小空間環境下的應用需求日益迫切，例如：海底管道內的檢測及維護、珊瑚礁內生物的監測、海底巖縫中礦物采樣等。由于傳統的水下自主航行器/機器人采用螺旋槳推進，使用舵控制其方向，其轉向半徑較大，無法實現狹窄空間內的靈活運動。同時，其巨大的體形和動力系統在作業時對環境造成了較大的擾動，不適用于高隱蔽性和生物親和性的應用，如軍事偵查、生物樣本采集、環境監測等。

相對于流線型結構，球形結構由于對稱，能承受相對更加高的水下壓力，具有更大的內部空間和運載能力，更易于實現小型和緊湊化設計，且易于實現精確的運動控制和靜態姿態穩定。采用球形結構的水下自主航行器/機器人可在水下狹小空間內實現多自由度的靈活運動，能夠實現零半徑旋轉。在河底、海底運動時，由于表面無棱角，更能適應布滿水草或海藻等的環境。同時，由于球形結構對水體擾動相對較小，環境隱蔽性和生物親和性得到了較好的改善。

國內圍繞球形水下機器人開展研究的單位主要包括哈爾濱工程大學、北京郵電大學等單位。2007年，哈爾濱工程大學仿生微機器人實驗室所研制的一款球形水下潛器，其球體直徑為0.22m，空氣中質量為5.6kg，采用兩個噴水電機作為驅動裝置，并設有兩個入水口和兩個出水口。該球形水下潛器采用姿態傳感器信號反饋調整的控制方法對自身的運動控制，但由于其動力系統設計相對粗放，運動靈活性有限，機動性較差。2010北京郵電大學的孫漢旭教授和蘭曉娟博士等人也對球形水下機器人進行了相關的研究。蘭曉娟博士等人發表了一些相關論文介紹了內置姿態調節機構的球形水下機器人BYSQ-2的結構構型、工作原理和性能參數，其球體直徑為0.54m，空氣中質量約為80kg。該球形水下機器人是通過其內部的雙驅動轉向機構與螺旋槳推進器的配合來實現六個自由度的水下運動。但該設計的體型較大，在淺水、沼澤、灘涂等環境下的生存能力有限。

現有機器人制作周期長，設計成本高，而且在設計過程中計算量巨大，直觀性較差。因此在機器人制作之前，對其進行準確的三維建模和動力學分析是必須的，機器人的運動學模型不僅可以描述各個關節的運動與機器人質心以及足端之間的關系，還可以為機器人原型機的運動控制和軌跡規劃提供重要參考，因此建模是一項非常重要的基礎工作。到目前為止，也有一些學者對動力學仿真做了大量的工作，但是由于自然界中生物的步態較多，所以選擇一種適合機器人穩定的行走步態是非常必要的，目前基于ADAMS仿真環境的仿生四足機器人運動建模和力學仿真的研究不多，而且不能準確反映機械性能。現有水下自主航行器/機器人和球形水下機器人存在以下問題：

(1)現有水下自主航行器/機器人多采用流線形外形結構和螺旋槳推進，其單向運動速度較高，但由于體型和轉向半徑較大，無法實現水下狹窄復雜環境(如珊瑚礁、管道內、巖石夾縫等)下的靈活運動和精密作業。同時，其巨大的外形和和動力系統在作業時對環境造成了較大的擾動，不適用于高隱蔽性和生物親和性的應用，如軍事偵查、生物樣本采集、環境監測等。

(2)現有的球形水下機器人在一定程度上利用了球形結構的優點，但其機動性和運動靈活性仍相當有限，未有效解決水下狹窄復雜環境下的工作問題。

(3)現有的球形水下機器人采用的外形普遍較大，且只可實現水下螺旋槳推進，無法在淺水、沼澤、灘涂等近水環境下工作，其活動作業范圍和生存能力有限。

(4)現有的球形機器人雖然可以實現兩棲運動，但是由于手工裝配，制作精度較差，在行走的過程中容易出現部分零器件的松懈，導致機器人的穩定性日益減弱。

(5)現有機器人制作周期長，設計成本高，穩定性不能滿足特定的要求，目前基于ADAMS仿真環境的機器人運動建模和力學仿真的研究很少，而且不能準確反映機械性能。