一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法

技术领域

本发明涉及建模仿真领域，尤其涉及一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法、装置及设备。

背景技术

当今机器人技术发展迅速，全球主要科技强国围绕机器人技术展开了大量研究，其中机器人的军事化应用尤被关注。军用机器人应当能适应复杂的战场环境且具备较高的载荷能力，出于此考虑，液压四足机器人成为军用机器人中的研究热点。液压驱动使得机器人具有较高的负载能力，而模仿动物的四足使得机器人更加稳定且灵活，对未知环境和地形适应性更强。

液压四足机器人涉及液压系统、控制系统和机械系统，具有多系统、强耦合的特点。其设计和分析涵盖多学科专业且相互耦合，设计分析复杂。因此，面对如此复杂的综合系统，若欲快速设计出具有高运动性和稳定性的液压四足机器人产品，必须在设计早期进行建模仿真验证以及方案的优化。现有建模方法实现路径如下：第一，针对液压四足机器人某子系统使用相应的软件进行单独的建模和仿真，以实现局部的单系统优化；第二，在第一步的基础上使用通讯接口进行多软件的联合仿真。然而，通讯接口的复杂配置和各软件求解器的弱兼容性抬高了实现上述第二步的门槛；即使在花费了大量的时间实现多软件联合仿真的配置后，各软件之间的割裂性也会使得在现实中的多系统耦合特性被解耦，其求解精度和求解效率也被降低。

发明内容

本发明提供了一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法、装置及设备，解决了传统方法中多软件联合仿真时的求解精度和求解效率低的问题。

本发明提供一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法，基于Modelica模型进行建模，包括：

获取搭建的液压四足机器人机械系统多体动力学模型，并将所述液压四足机器人机械系统多体动力学模型进行可视化处理；

获取搭建的液压四足机器人液压系统模型；

获取搭建的液压四足机器人控制系统模型；

将所述机械系统多体动力学模型、液压系统模型和所述控制系统模型根据层级进行集成封装，得到液压四足机器人多系统仿真模型。

在本发明的一种实施例中，所述获取搭建的液压四足机器人机械系统多体动力学模型，具体包括：获取在三维软件中搭建的三维模型；通过插件将所述三维模型导出成.mo文件；在多领域统一建模与仿真分析软件中打开所述.mo文件，确定所述液压四足机器人机械系统多体动力学模型搭建完毕并封装。

在本发明的一种实施例中，所述将所述液压四足机器人机械系统多体动力学模型进行可视化处理，具体包括：获取在三维软件中建立液压四足机器人各零件的三维模型，将所述各零件的三维模型导出为标准三维几何文件；基于Modelica语言，将Modelica中的BodyShape模块与标准三维几何文件进行关联，并在向所述Modelica导入所述标准三维几何文件时指明所述标准三维几何文件的路径或位置，以在调用相关文件时准确将三维模型进行可视化。

在本发明的一种实施例中，所述获取搭建的液压四足机器人液压系统模型，具体包括：获取搭建的单个液压缸系统模型，基于Modelica语言规范，将所述单个液压缸系统模型进行封装，得到对应的单元文件；通过自下而上集成所述单元文件，生成整体液压四足机器人液压系统模型；其中，通过所述单个液压缸系统模型中的输入接口接收位移指令的输入，通过机械接口将单个液压系统模型中的液压缸的位移和力等信号传输至液压四足机器人机械系统多体动力学模型中。

在本发明的一种实施例中，所述获取搭建的液压四足机器人控制系统模型，具体包括：基于Modelica语言规范，搭建液压四足机器人控制系统模型，所述控制系统模型主要包括时间序列模型、足段轨迹规划模型、逆运动学模型和关节几何模型。

在本发明的一种实施例中，所述时间序列模型用于根据设置规划出腿部的腾空相时间并传递至足段轨迹规划模型；所述足段轨迹规划模型用于根据提前设定好的步长和步高等运动参数规划出末端轨迹，并将轨迹分解成沿x轴和y轴的坐标传递至逆运动学模型；所述逆运动学模型用于根据足段轨迹反解出髋关节和膝关节角度并传递至关节几何模型；所述关节几何模型用于根据几何关系解算出各液压缸指令位移量，最后由输出信号接口传递至液压系统。

在本发明的一种实施例中，所述机械系统多体动力学模型包括腿部模型，所述腿部模型通过多体动力学接口与机体进行模型连接。

本发明提供一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模装置，包括：

机械系统多体动力学模型搭建模块，用于获取搭建的液压四足机器人机械系统多体动力学模型，并将所述液压四足机器人机械系统多体动力学模型进行可视化处理；

液压系统模型搭建模块，用于获取搭建的液压四足机器人液压系统模型；

控制系统模型搭建模块，用于获取搭建的液压四足机器人控制系统模型；

液压四组机器人多系统模型模块，用于将所述机械系统多体动力学模型、液压系统模型和所述控制系统模型根据层级进行集成封装，得到液压四足机器人多系统仿真模型。

本发明提供一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通过总线通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被执行，以实现如上述各实施例任一项所述的方法。

一种非易失性存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令由处理器执行，以实现如上述各实施例任一项所述的方法。

本发明提供了一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法、装置及设备，至少包括以下有益效果：

1、本发明采用Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言,针对涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建具有天然的优势。

2、本发明采用基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法，相比现有的纯数学公式推导建模方法和多软件通过通讯接口联合仿真的方法更简单快捷，稳定性和求解精度更高。

3、本发明采用基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法，仿真结果可以进行可视化分析，结合三维动画和曲线进行运动分析，提高模型的调试效率和建模准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法步骤示意图；

图2为本发明实施例提供的液压四足机器人三维模型图；

图3为本发明实施例提供的液压四足机器人机械系统多体动力学模型图；

图4为本发明实施例提供的左前腿机械系统多体动力学模型图；

图5为本发明实施例提供的液压四足机器人液压系统模型图；

图6为本发明实施例提供的液压四足机器人控制系统模型图；

图7为本发明实施例提供的液压四足机器人多系统模型图；

图8为本发明实施例提供的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模装置示意图；

图9为本发明实施例提供的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模设备示意图；

附图标记

机体21、髋关节液压缸22、大腿机构23、膝关节液压缸24、小腿机构25；

左前腿31、左后腿32、右后腿33、右前腿34；

姿态转换模块41、髋关节液压缸缸体45、第一转动副46、第一移动副47、髋关节液压缸活塞杆48、大腿机构410、第一多体动力学接口412、小腿机构414、膝关节液压缸活塞杆416、第二移动副417、第二转动副418、膝关节液压缸缸体419、第二多体动力学接口421；

油箱模型51、压力源模型52、伺服阀模型53、第一机械接口54、液压缸模型55、位移传感器模型57、第二机械接口58、输入接口59、PID控制器模型510；

时间序列模型61、足段轨迹规划模型62、逆运动学模型63、关节几何模型64。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例以及附图对本发明进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本发明所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。除非另作定义，本发明所涉及的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本发明所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法，建立了涵盖机械系统多体动力学、液压系统和控制系统的液压四足机器人多系统仿真模型，能够提高液压四足机器人设计的快速性和可靠性。Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言，针对涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建具有天然的优势，基于Modelica语言可以在同一个平台中建立不同学科、不同专业的模型，同时Modelica语言具有很好的开放性，能够集成多种异构模型，进行系统级的联合仿真，用于复杂工业系统的建模与仿真分析。

本发明提出了一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法、装置及设备。下面进行具体说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法的步骤示意图，可以包括以下步骤：

S110：获取搭建的液压四足机器人机械系统多体动力学模型，并将液压四足机器人机械系统多体动力学模型进行可视化处理。

具体地，步骤一：搭建液压四足机器人机械系统多体动力学模型。

如图2所示，液压四足机器人机械系统主要由机体21和四条腿组成，以右前腿为例，包括髋关节液压缸22、大腿机构23、膝关节液压缸24和小腿机构25组成。机体21、大腿机构23、小腿机构25和液压缸22之间均为铰接。

在本发明的一种实施例中，获取搭建的液压四足机器人机械系统多体动力学模型，具体包括：获取在三维软件中搭建的三维模型；通过插件将三维模型导出成.mo文件；在多领域统一建模与仿真分析软件中打开.mo文件，确定液压四足机器人机械系统多体动力学模型搭建完毕并封装。机械系统多体动力学模型包括腿部模型，腿部模型通过多体动力学接口与机体进行模型连接。

图3为液压四足机器人机械系统多体动力学模型，在三维CAD软件中搭建三维模型，通过插件Kinetrans将三维模型导出成.mo文件，在多领域统一建模与仿真分析软件MWORKS.Sysplorer中打开，完成液压四足机器人机械多体动力学模型的搭建并封装。其中左前腿31、左后腿32、右后腿33和右前腿34模型相似，以左前腿机械系统多体动力学模型详细讲述。左前腿详细模型如图4所示。其中大腿机构410、小腿机构414、髋关节液压缸缸体45、髋关节液压缸活塞杆48、膝关节液压缸缸体419和膝关节液压缸活塞杆416都由Modelica中的BodyShape模块表示。大腿机构410和小腿机构414、髋关节液压缸活塞杆48和大腿机构410、髋关节液压缸活缸体45和机体21、大腿机构410和机体21、膝关节液压缸缸体416和大腿机构410、膝关节液压缸活塞杆416和小腿机构414均由转动副进行连接。液压缸体和活塞杆之间由第一移动副47、第二移动副417、第一转动副46和第二转动副418进行连接，移动副主要起驱动作用，通过移动副处的机械接口与液压系统相连接，传递力和位移等变量。不同的构件之间相对位置通过姿态转换模块41进行确定。左前腿和机体以及地面的连接通过两侧的第一多体动力学接口412和第二多体动力学接口421传递。机体部分亦由BodyShape模块以及相关的姿态转换模块表示。

在本发明的一种实施例中，将液压四足机器人机械系统多体动力学模型进行可视化处理，具体包括：获取在三维软件中建立液压四足机器人各零件的三维模型，将各零件的三维模型导出为标准三维几何文件；基于Modelica语言，将Modelica中的BodyShape模块与标准三维几何文件进行关联，并在向Modelica导入标准三维几何文件时指明标准三维几何文件的路径或位置，以在调用相关文件时准确将三维模型进行可视化。

具体地，步骤二：液压四足机器人机械系统多体动力学模型可视化。

在三维软件CAD中建立液压四足机器人各零件的三维模型,并导出为标准三维几何文件，例如stl、dxf或hsf等格式的文件。

利用多领域统一建模与仿真分析软件MWORKS.Sysplorer,基于Modelica语言规范,按照液压四足机器人机械结构装配关系,建立Modelica模型,在创建Modelica模型的过程中,将Modelica中BodyShape模块与标准三维几何文件进行关联,外部导入三维几何文件时指明三维几何文件的路径、位置。

S120：获取搭建的液压四足机器人液压系统模型。

在本发明的一种实施例中，获取搭建的液压四足机器人液压系统模型，具体包括：获取搭建的单个液压缸系统模型，基于Modelica语言规范，将单个液压缸系统模型进行封装，得到对应的单元文件；通过自下而上集成单元文件，生成整体液压四足机器人液压系统模型；其中，通过单个液压缸系统模型中的输入接口接收位移指令的输入，通过机械接口将单个液压系统模型中的液压缸的位移和力等信号传输至液压四足机器人机械系统多体动力学模型中。

具体地，步骤三：液压四足机器人液压系统模型搭建。

液压四足机器人液压系统能驱动各关节液压缸追踪输入的各指令位移，从而实现液压四足机器人的运动控制。利用多领域统一建模与仿真分析软件MWORKS.Sysplorer，基于Modelica语言规范，根据液压四足机器人液压系统原理搭建液压系统模型，并结合比例积分微分(proportional-integral-derivative control，PID)控制器，完成具备伺服控制功能的液压四足机器人液压系统模型的搭建。液压系统共8个液压缸，现以单个液压缸为例说明模型。如图5所示，单个液压缸系统模型包括油箱模型51、压力源模型52、伺服阀模型53、液压缸模型55、位移传感器模型57和PID控制器模型510。指令位移输入由输入接口59传入，液压缸的位移和力等信号由第一机械接口54和第二机械接口58与机械系统多体动力学模型相连。该单个液压缸系统模型被建立封装后，重复调用8次，即形成整体液压四足机器人液压系统模型。

S130：获取搭建的液压四足机器人控制系统模型。

在本发明的一种实施例中，获取搭建的液压四足机器人控制系统模型，具体包括：基于Modelica语言规范，搭建液压四足机器人控制系统模型，控制系统模型主要包括时间序列模型、足段轨迹规划模型、逆运动学模型和关节几何模型。

在本发明的一种实施例中，时间序列模型用于根据设置规划出腿部的腾空相时间并传递至足段轨迹规划模型；足段轨迹规划模型用于根据提前设定好的步长和步高等运动参数规划出末端轨迹，并将轨迹分解成沿x轴和y轴的坐标传递至逆运动学模型；逆运动学模型用于根据足段轨迹反解出髋关节和膝关节角度并传递至关节几何模型；关节几何模型用于根据几何关系解算出各液压缸指令位移量，最后由输出信号接口传递至液压系统。

具体地，步骤四：液压四足机器人控制系统模型搭建。

基于Modelica语言规范建立液压四足机器人控制系统模型，控制系统模型能生成各关节液压缸位移指令。以左前腿控制系统为例说明。如图6所示，单腿的控制系统模型主要包含时间序列模型61、足段轨迹规划模型62、逆运动学模型63和关节几何模型64。时间序列模型根据设置规划出该腿的腾空相时间并传递至足段轨迹规划模型；足段轨迹规划模型根据提前设定好的步长和步高等运动参数规划出末端轨迹，并将轨迹分解成沿x轴和y轴的坐标传递至逆运动学模型；逆运动学模型根据足段轨迹反解出髋关节和膝关节角度并传递至关节几何模型；关节几何模型根据几何关系解算出各液压缸指令位移量；最后由输出信号接口传递至液压系统。

S140：将机械系统多体动力学模型、液压系统模型和控制系统模型根据层级进行集成封装，得到液压四足机器人多系统仿真模型。

具体地，步骤五：液压四足机器人多系统模型集成。

基于Modelica语言完成上述机械系统多体动力学模型、液压系统模型和控制系统模型后，按照系统层级集成封装，形成如图7所示的液压四足机器人多系统仿真模型。设置相关参数后即可进行液压四足机器人多系统综合仿真。

通过液压四足机器人多系统仿真模型，可以分析多系统耦合作用下液压四足机器人各关节动力学特性、触地冲击特性、液压系统的功率和压力流量特性，以及不同腾空时间和不同足段轨迹下运动控制特性。基于该模型的分析和优化可加速液压四足机器人整机设计和试验过程。

以上为本发明实施例提供的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模方法，基于同样的发明思路，本发明实施例还提供了相应的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模装置，如图8所示。

机械系统多体动力学模型搭建模块802，用于获取搭建的液压四足机器人机械系统多体动力学模型，并将液压四足机器人机械系统多体动力学模型进行可视化处理；

液压系统模型搭建模块804，用于获取搭建的液压四足机器人液压系统模型；

控制系统模型搭建模块806，用于获取搭建的液压四足机器人控制系统模型；

液压四组机器人多系统模型模块808，用于将机械系统多体动力学模型、液压系统模型和控制系统模型根据层级进行集成封装，得到液压四足机器人多系统仿真模型。

本发明实施例还提供了相应的一种基于Modelica语言的液压四足机器人多系统建模设备，如图9所示，包括：

至少一个处理器902(processor)、通信接口904(Communications Interface)、存储器906(memory)和通信总线908；其中，处理器902，通信接口904，存储器906通过通信总线908完成相互间的通信；处理器902可以调用存储器906中存储的逻辑指令，以使至少一个处理器902执行上述各实施例的步骤。

基于同样的思路，本发明的一些实施例还提供了上述方法对应的介质。

本发明的一些实施例提供的一种存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令由处理器执行，以实现上述各实施例的步骤。

本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备和介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明实施例提供的设备和介质与方法是一一对应的，因此，设备和介质也具有与其对应的方法类似的有益技术效果，由于上面已经对方法的有益技术效果进行了详细说明，因此，这里不再赘述设备和介质的有益技术效果。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程方法商品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程方法商品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程方法商品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。