[发明专利]基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于水下自主航行器技术领域，涉及一种基于SolidWorks、ADAMS环境的球形机器人综合仿真方法。

背景技术

水下自主航行器/机器人作为一个高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下机器人用于完成不同的任务时，其形状、大小、运动方式等就有着不同的要求。如果考虑到对周围环境的影响，则对于水下机器人的驱动方式也会有一定的限制。在最近几十年中，采用流线型外形结构和传统螺旋桨驱动的大中型水下机器人(米级、分米级)的发展已经达到了实用化的程度。然而，随着水下自主航行器/机器人功能和应用的不断拓展，对其在海底复杂狭小空间环境下的应用需求日益迫切，例如：海底管道内的检测及维护、珊瑚礁内生物的监测、海底岩缝中矿物采样等。由于传统的水下自主航行器/机器人采用螺旋桨推进，使用舵控制其方向，其转向半径较大，无法实现狭窄空间内的灵活运动。同时，其巨大的体形和动力系统在作业时对环境造成了较大的扰动，不适用于高隐蔽性和生物亲和性的应用，如军事侦查、生物样本采集、环境监测等。

相对于流线型结构，球形结构由于对称，能承受相对更加高的水下压力，具有更大的内部空间和运载能力，更易于实现小型和紧凑化设计，且易于实现精确的运动控制和静态姿态稳定。采用球形结构的水下自主航行器/机器人可在水下狭小空间内实现多自由度的灵活运动，能够实现零半径旋转。在河底、海底运动时，由于表面无棱角，更能适应布满水草或海藻等的环境。同时，由于球形结构对水体扰动相对较小，环境隐蔽性和生物亲和性得到了较好的改善。

国内围绕球形水下机器人开展研究的单位主要包括哈尔滨工程大学、北京邮电大学等单位。2007年，哈尔滨工程大学仿生微机器人实验室所研制的一款球形水下潜器，其球体直径为0.22m，空气中质量为5.6kg，采用两个喷水电机作为驱动装置，并设有两个入水口和两个出水口。该球形水下潜器采用姿态传感器信号反馈调整的控制方法对自身的运动控制，但由于其动力系统设计相对粗放，运动灵活性有限，机动性较差。2010北京邮电大学的孙汉旭教授和兰晓娟博士等人也对球形水下机器人进行了相关的研究。兰晓娟博士等人发表了一些相关论文介绍了内置姿态调节机构的球形水下机器人BYSQ-2的结构构型、工作原理和性能参数，其球体直径为0.54m，空气中质量约为80kg。该球形水下机器人是通过其内部的双驱动转向机构与螺旋桨推进器的配合来实现六个自由度的水下运动。但该设计的体型较大，在浅水、沼泽、滩涂等环境下的生存能力有限。

现有机器人制作周期长，设计成本高，而且在设计过程中计算量巨大，直观性较差。因此在机器人制作之前，对其进行准确的三维建模和动力学分析是必须的，机器人的运动学模型不仅可以描述各个关节的运动与机器人质心以及足端之间的关系，还可以为机器人原型机的运动控制和轨迹规划提供重要参考，因此建模是一项非常重要的基础工作。到目前为止，也有一些学者对动力学仿真做了大量的工作，但是由于自然界中生物的步态较多，所以选择一种适合机器人稳定的行走步态是非常必要的，目前基于ADAMS仿真环境的仿生四足机器人运动建模和力学仿真的研究不多，而且不能准确反映机械性能。现有水下自主航行器/机器人和球形水下机器人存在以下问题：

(1)现有水下自主航行器/机器人多采用流线形外形结构和螺旋桨推进，其单向运动速度较高，但由于体型和转向半径较大，无法实现水下狭窄复杂环境(如珊瑚礁、管道内、岩石夹缝等)下的灵活运动和精密作业。同时，其巨大的外形和和动力系统在作业时对环境造成了较大的扰动，不适用于高隐蔽性和生物亲和性的应用，如军事侦查、生物样本采集、环境监测等。

(2)现有的球形水下机器人在一定程度上利用了球形结构的优点，但其机动性和运动灵活性仍相当有限，未有效解决水下狭窄复杂环境下的工作问题。

(3)现有的球形水下机器人采用的外形普遍较大，且只可实现水下螺旋桨推进，无法在浅水、沼泽、滩涂等近水环境下工作，其活动作业范围和生存能力有限。

(4)现有的球形机器人虽然可以实现两栖运动，但是由于手工装配，制作精度较差，在行走的过程中容易出现部分零器件的松懈，导致机器人的稳定性日益减弱。

(5)现有机器人制作周期长，设计成本高，稳定性不能满足特定的要求，目前基于ADAMS仿真环境的机器人运动建模和力学仿真的研究很少，而且不能准确反映机械性能。