仿人机器人实时建模与仿真平台的设计与开发.pdf

一 摘要 目前，机器人仿真平台作为机器人开发的重要环节之一，已经在机器人研究 领域得到广泛应用。本文针对仿人机器人机械结构与运动方式的特殊性，对仿人 机器人建模与仿真平台的设计与实现问题进行了研究，并完成了集建模与仿真功 能于一体的、适用于仿人机器人的平台软件一一H U B O T 的开发工作。 本文的主要工作有： 1 针对仿人机器人实体的特点，完成对H U B O T 平台的目标、功能及界面 设计，并利用O p e n G L 图形软件包，实现可视化、交互式的3 D 机器人效果展示。 2 提出了一种基于外部几何模型文件的仿人机器人建模方法，通过交互式 的界面设计，实现无编程的仿人机器人建模系统。 3 开发仿人机器人运动学引擎，实现仿人机器人的运动学仿真，在此基础 上设计并实现了一种基于运动关键帧的运动规划方法，并对插值算法进行研究， 提出了适用于实物电机的多项式插值与s i n 插值方法。 4 利用P h y s X 物理引擎，实现仿人机器人的动力学仿真，提出了基于P h y s X 引擎的仿真电机与仿真传感器的实现方法。 关键词：仿真，建模，P h y s X ，O p e n G L ，仿人机器入 m 浙江大学硕士学位论文 A b s t r a c t N o w a d a y s ，s i m u l a t i o np l a t f o r m h a sb e e n w i d e l y u s e di nt h er o b o t i c s r e s e a r c h C o n s i d e r i n g t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h em o v e m e n ts t y l ea n dm e c h a n i c a l c o n s t r u c t i o no fh u m a n o i dr o b o t s ，t h i st h e s i sh a sm a d ea ni n t e n s i v es t u d yo ft h e s i m u l a t o rw h i c hs p e c i a l i z e si nh u m a n o i d s An e wm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o np l a t f o r m h a sb e e nd e v e l o p e df o rh u m a n o i dr o b o t s T h em a i n w o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 An e ws y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o rt h eh u m a n o i dr o b o t i c ss i m u l a t i o n V i s u a l i z a t i o ni ss u p p o s e db a s e do nO p e n G L r e n d e r i n ge n v i r o n m e n ti nt h es y s t e m 2 Ag e o m e t r y b a s e dm o d e l i n gm e t h o di sp r o p o s e d W i t ht h eg r a p h i c a l i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，t h em o d e l i n gp r o c e s sc a nb ed o n ew i t h o u tc o d i n gw o r k 3 T h ek i n e m a t i c se n g i n eh a sb e e nd e v e l o p e da n dak e y - f r a m e - b a s e dm o t i o n p l a n n i n gm o d u l e i sp r o p o s e d 4 T h ed y n a m i c ss i m u l a t i o n s y s t e m w h i c h i n t e g r a t e sP h y s Xi m p l e m e n t s r e a l t i m ed y n a m i c ss i m u l a t i o nf o rh u m a n o i dr o b o t s ，a n dt h ev i r t u a lm o t o r sa n dv i r t u a l s e n s o r sa r er e a l i z e d K e y w o r d s ：m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ，h u m a n o i dr o b o t ，P h y s X ，O p e n G L V 浙江大学硕士学位论文 目次 致谢I 摘j 要 A b s t r a c t 日次 I I I V 1 绪论 1 1 研究背景及意义l 1 1 1 什么是仿人机器人1 1 1 2 仿人机器人仿真平台的研究意义1 1 2 仿人机器人仿真平台的发展现状2 1 2 1 仿人机器人仿真平台举例。2 1 2 2 存在的问题。6 1 本文的主要内容。7 2H U B O T 平台设计 2 1H U B O T 平台目标设计9 2 1 1 实现运动学与动力学仿真9 2 1 2 实现仿真电机及控制器调试、仿真传感器数据验证9 2 1 3 辅助实物电机选型、机械结构设计9 2 2H U B O T 平台功能设计1 0 2 2 1 建模功能1O 2 2 2 仿真功能11 2 3H U B O T 平台文件设计1 2 2 3 1 项目文件1 2 2 - 3 2 机器人模型文件1 2 2 3 3 机器人几何模型文件1 2 2 3 4 机器人连杆模型文件1 3 2 3 5 机器人驱动器模型文件。1 3 2 3 6 机器人传感器模型文件j 1 5 2 3 7 机器人环境模型文件1 5 V l I 浙江大学硕士学位论文 2 3 8 机器人天空模型文件1 5 2 3 9 机器人地面模型文件1 5 2 4H U B O T 平台界面设计17 2 4 1 总界面设计1 7 2 4 2 建模界面设计17 2 4 3 仿真界面设计。1 8 3 仿人机器人建模系统的设计与实现1 9 3 1 建模需求分析1 9 3 1 1 仿人机器人结构组成1 9 3 1 2 仿人机器人连杆关节结构分解。1 9 3 1 3 仿人机器人仿真的建模需求2 l 3 2 仿人机器人模型数据结构2 2 3 2 1 连杆模型2 3 3 2 2 几何模型2 5 3 2 3 驱动器模型2 5 3 2 4 传感器模型2 5 3 3 基于几何模型的仿人机器人本体建模系统2 8 3 3 1 系统架构2 8 3 3 2 主要类设计2 9 3 3 3 基于几何的建模方法2 9 3 4 建模实现3l 3 4 1 几何模型的导入。3 l 3 4 2 连杆与物理碰撞模型的建立。3 1 3 4 3 驱动器模型的建立3 3 3 4 4 传感器模型的建立3 3 3 4 5 机器人模型文件的导入导出3 4 3 5 环境建模3 5 3 5 1 天空模型的建立3 5 3 5 2 地面模型的建立3 6 浙江大学硕士学位论文 3 5 3 实体模型的建立3 6 3 6 基于连杆模型的碰撞模型生成算法3 6 3 6 1A A B B 包围盒生成算法3 6 3 6 2 近似包围球生成算法3 7 3 6 3 近似包围胶囊生成算法3 7 3 7 实验结果3 8 3 7 1 几何连杆模型的有效性验证3 8 3 7 2 仿人机器人建模结果3 8 3 7 3 仿人机器人物理建模结果比较4 0 3 7 4 环境建模示例。4 1 3 8 本章小结4 l 4 仿人机器人运动学仿真系统的设计与实现4 3 4 1 基础理论4 3 4 1 1 仿人机器人正运动学4 3 4 1 2 仿人机器人逆运动学4 4 4 2 仿人机器人运动学仿真系统4 7 4 2 1 系统架构。4 7 4 2 2 主要类设计4 7 。 4 2 3 运动学仿真的程序实现4 9 4 2 4 基于关键帧的运动生成方法5 0 4 3 优化插值算法5 3 4 3 1 问题的提出5 3 4 3 2 简化的多项式插值算法5 3 4 3 3s i n 函数插值算法5 4 4 4 实验结果5 5 4 4 1 插值算法结果比较5 5 4 4 2 运动学仿真及运动规划应用结果5 7 4 5 本章小结5 8 5 仿入机器人动力学仿真系统的设计与实现 I X 5 9 浙江大学硕士学位论文 5 1 基础理论5 9 5 1 1 仿人机器人动力学5 9 5 1 2 物理引擎6 0 5 2 仿人机器人动力学仿真系统6 3 5 2 1 系统架构6 3 5 2 2 主要类设计6 3 5 3 基于P h y s X 物理引擎的动力学仿真实现6 6 5 3 1 仿真流程6 6 5 3 2 仿真的程序实现6 8 5 4 基于P h y s X 物理引擎的电机仿真实现7 0 5 5 基于P h y s X 物理引擎的传感器仿真实现7 1 5 6 实验结果7 2 5 6 1 仿人机器人驱动器参数校正软件7 2 5 6 2 仿人机器人双足步行的动力学仿真7 4 5 7 本章小结7 6 6 总结与展望。7 7 6 1 总结7 7 6 2 展望7 8 参考文献。 在学期间所取得的科研成果 作者简历。 X 7 9 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 什么是仿人机器人 随着人类社会的发展，“机器人( r o b o t 尸这一词汇正越来越多得出现在的人 们的E l 常生活中。1 9 2 0 年，捷克剧作家K a r e lC a p e k 在他得( ( R u o s s u m SU n i v e r s a l R o b o t s ) ) 中最早提出了“机器人”的概念【1 1 ，并被赋予“奴隶机器”的涵义1 9 6 7 年，E l 本的“机械臂研究会”举办了第一届机器人学术会议，并将机器人定义为 “一种具有移动性、个体性、半机械性、自动性和奴隶性”的操作工具2 1 。而根 据联合国标准化组织对机器人的定义，机器人既可以是一种实际的可编程、多功 能操作机，也可以指具有可改变、可编程动作的专门系统。现代科技的发展，使 得机器人研究领域的范围不断扩大，机器人的内涵和外延的不断丰富。其中，像 人机器人正是其中的重要分支。 仿人机器人是一种模仿人的机器人，包括人的形态、行为甚至是部分思维方 式仿人机器人正是由于这种与人类的高相似性，才比其他机器人更适合与人类 共同生产和生活，也因此受到学者们的广泛关注。日本将仿人机器人研究作为机 器人研究领域的最高技术难点，其最终目标是研制出具有类人特征，能够与人类t 和平共处并且能够服务于人类的智能机器人。与其他类型的机器人相比，仿人机 器人具有三个基本特征【3 朋： 1 ) 能在人们所处的现实环境中工作； 2 ) 能使用人们所用的工具； 3 ) 具有人的形状 1 1 2 仿人机器人仿真平台的研究意义 如果说各式各样的工业机器人、智能控制系统、机器视觉系统、智能识别系 统是具有实际意义的机器人或智能系统，能为工业生产提供很大的帮助，那么仿 人机器人现有的研究水平远没有达到实际应用的程度。即使在机器人研究非常发 达的日本，仿人机器人现阶段也只能完成简单的功能相比起研究的庞大投入， 仿人机器人的商业价值也非常有限 浙江大学硕士学位论文 正是仿人机器人高阶、非线性、耦合、多自由度的特点，使得实际仿人机器 人的实验研究非常昂贵，甚至无法实现。在实际机器人上进行软件调试时，一个 非预期的行为结果可能由多个软件和硬件因素共同作用造成，难以对其原因进行 彻底的且有针对性的分析1 5 1 为此，仿人机器人仿真平台越来越受到开发者们的 重视。仿人机器人仿真平台通过在计算机中搭建“虚拟现实”环境及“虚拟机器 人”本体，实现不依赖物理机械的仿人机器人嵌入式应用设计，通常包括机器人 本体结构设计、算法测试等 6 1 。 1 2 仿人机器人仿真平台的发展现状 1 2 1 仿人机器人仿真平台举例 近年来，国内外机器人研究人员开发了各种类型的仿人机器人仿真平台，下 面就一些应用广泛的仿真平台做一个简要的介绍 1 W e b o t s 7 , 8 ：W e b o t s 是一款由C y b e r B o t i e s 公司开发并运营的机器人开发 环境，其开发流程包括建立模型、编写代码、仿真、向硬件转移四个步骤，如图 1 1 所示在W e b o t s 中，开发人员可以在同一个虚拟环境下设计单个或多个、相 同或不同类型的虚拟机器人应用程序，并设定各个物体的外形、颜色、材质、质 量等物理参数除此之外，W e b o t s 还有以下几个特点： · 使用O p e n G L l 9 ' 1 0 形库并内建3 D 编辑器，可构建3 D 机器人模型； · 可在内建的I D E ( I n t e g r a t e dD e v e l o p m e n tE n v i r o n m e n t ) 环境( 如图1 2 ) 或 第三方开发环境下编写机器人控制程序； · 采用O D E ( O p e nD y n a m i c sE n g i n e ) I U 2 l 物理弓I 擎，可准确模拟机器人行为； · 可将经模拟设计的控制程序转移到实体机器人，如A i b o ，K h e p e r a 1 3 ，H 】、 M i n d s t o m s 【1 5 1 、L E G O l l 6 1 及H e m i s s i o n 等； · 提供多种市售机器人的控制程序源码及模型范例； · 可模拟群体移动机器人系统； 同时，W e b o t s 为开发人员提供了大量现成的类库，包括距离传感器( 红外线 或超声波) 、空间测距仪、光感测器、接触传感器、G P S 全球定位系统、摄像机、 接收器、位置与力传感器、转轮增量编码器等虚拟传感器单元，以及差速轮式电 机单元，独立电机单元、伺服驱动器、L E D 、发射器、夹爪等虚拟驱动单元，极 2 1 绪论 大得方便开发者仿真各类轮式、足式及飞行器机器人。 2 O p e n H R P i l 7 ，1 8 1 ：O p e n H R P 是由日本的A I S T 、东京大学和M S T C 的研究 人员联合开发的开放式仿人机器人研究平台。平台集机器人仿真与机器人软件开 发功能于一体，并允许用户采用平台原有的H R P 机器人模型进行控制程序的动 力学仿真，平台主界面如图1 3 所示。 图1 1W e b o t s 平台仿真流程 B kY I c w 鲁m “曲o n垒u ，m 脚b 盥z a r d 苎d p 辨。 口癣：麓：二。二。：麓：澎Z 缀荔豸黝缓霸黼妇蝴哪触嘲帽瞳嘲嘴瞎眦删“玉赫曲。 ”露二。巍六： v , e w p o 妇 o # * k 目I 州 踟日蛐j 强n 秘陀m 耐L j 口k ! 鲰艘m d 日 翰 w 蝣b 翰 ：鬈篇黜G O A L 疆掰e u J f 翻一眨 蜮翟露互警蓬黧 ，： n0 103 l 增 螂l 棚n F 坤t K 枷口1 髓9 4 1 执靳罐7 i 糟晰1 1 1；1 i 呷卵州：蛐静1 1 1 ； j 瞅棚T R l 埯 女 0 FB 姒上醇 ， 0 m H - D P ： H m h a n 蝴O n x E = 强m V 正= 参一 z 旷孺m g 刍留。睁”盛9 ' do 臣豳 嘲 鬻 l e - p u c k I f e - p n c k l I 一p k I I e - 辨c k l I e - p q c kJ l e - p u c k l 扣p 峨鼍名如柙l 脚。( p p 国0 一 ÷抽f - M R 6 Z 1 0 2 ，2 ：4 。§坩t 址l cv o i d 饿啊“ t 乞| o 由e t r ，l ' t d o u b l e1 I 缸d i f b B r e n t i a l 妇口l # ：? 4 i o u 五l er 。锄d ：f t e r e 址1 iv h e e l 8 ：8d o 曲l ed lt1 茸煳强址S O L 册I 俅 ；qd 口心l ed for z c O 啉髓S O l 册l 循 二0d o u b l ed a2t d t ·d l X L E J 嘲e T z ：p I n t t t I 崩t o dd i s t a n c e ：o v e r o d ，。，耻i n t t l 。帕t i _ 谊t t dd i s t a n c ec 帆r e d 0 3 p r l 蜊c t l t 土l t 吐e h 4 孽o fo r l e e | t 0 t ' ；：城- I i t i n ·r 筘t 埔“·r “ l “ l 8：i + * r ： ：删+ ， 2 9 W b D e v A c e ' f a qd h ¨··¨_ “ I 1 f 1 0i n ti j ； ，：d o u b l e p e e d l 2 ¨ ，d o u b l es e a s o r s _ v a l u e t ' l l ¨ ”夥煳：7 弼锄移”，7 t t j - 哺州c b 4 n g eo fo r i n t t t i o n l 一0 0 1 4 2 7 4 1r o d c ，c e l e r o I - e t e ry l 。- 0 O O 0 1 8 1 t z I t dd i s t a n c e 瑚r d 研I f t 曲l 0 5 4 0 5 4 2 e s t i m a t e dd l ，t n c t o v e r e db yr A g h tv h e e l ；O 0 5 3 5 1 2I t e e t L m a t 僦lc h a n g eo fo r i n t t i o n ：0 0 1 4 2 7 4 | 1Z M I e c e l t r 涨t e Fv l 雌o - 0 0 0O 口l ，·8 1 图1 2W e b o t s 平台内建开发界面 3 浙江大学硕士学位论文 图1 1O p e n H R P 平台开发界面 O p e n H R P 系统采用C O R B A ( C o m m o nO b j e c tR e q u e s tB r o k e rA r c h i t e t u r e ) 【1 9 1 技术实现分布式的对象系统结构，每个服务可以作为一个单独的C O R B A 对象在 各自的计算机上运行、计算。由于O p e n H R P 系统中各个服务间的通信由C O R B A 完成，因此O p e n H R P 具有一个独立于平台本身的系统结构，如图1 4 所示开 发人员可以在各自的操作系统及开发环境下完成独立的服务开发工作，然后由 C O R B A 将所有服务整合为一个整体。同时O p e n H R P 本身也为用户提供了一系 列现成的服务，用于各类机器人程序开发，包括： · 动力学仿真器：用于连杆结构正动力学运算，整合了内置关节加速器及关节 速度、位置更新功能； · 碰撞检测器：用于机器人与环境之间的碰撞检测，借助由三角面片表示的几 何模型实现； 图1 2O p e n H R P 分布式对象系统结构 4 l 绪论 · 模型加载器：用于导入包含机器人连杆结构、机械结构的机器人模型文件， 并将文本格式的机器人模型转换为平台编程可操作的格式； · 视觉仿真器：用于仿真机器人视觉系统； · 控制器：即机器人控制程序，通过与机器人关联实现机器人动作控制 3 M i c r o s o t iR o b o t i c sS t u d i o ( M S R S ) 1 2 0 2 1 1 ：M S R S 是由微软公司开发的一 款基于W i n d o w s 架构的机器人软件开发平台，可供业余爱好者、科研人员及商 用软件开发人员在不同的硬件平台上轻松得建立机器人应用程序。M S R S 包含一 个轻量级面向服务的运行时、一组可视化的编程及仿真工具，同时也提供教学课 程和范例程序代码，协助使用者入门。M S R S 主要特点有以下几个方面。 · 端对端的开发平台：M S R S 可以让开发人员为各式各样的机器人硬件建立服 务，并为非专业程序设计人员提供了可视化的编程方法，M S R S 可视化编程 模块如图1 5 所示。开发人员只需用鼠标拖放代表服务的组块，并用恰当的 连接线将服务相连，即可完成程序的编写。开发人员也可以将已连接为整体 的组块作为单一组块在其他程序中使用同时，M S R S 提供3 D 仿真环境协 助机器人程序开发，并采用P h y s X 2 2 ' 2 3 1 物理引擎对机器人环境进行物理仿真。 图1 3M S R S 可视化编程环境 浙江大学硕士学位论文 · 轻量级面向服务的运行时：M S R S 采用N E T 架构R E S T 2 4 】式服务导向运行时， 主要由两个部分组成：并发协作运行时( C C R ) 【2 5 1 和分布式软件服务( D S S ) 【2 6 1 其中C C R 负责组合各个功能程序、处理传感器异步输入，而D S S 则使 开发人员可以轻松地使用浏览器或W i n d o w s 架构应用程序存取并回应机器 人状态。 · 可伸缩、可扩充的平台：M S R S 编程模型可以被应用于广泛的机器人硬件平 台上，让用户可以跨平台充分利用其性能。M S R S 的编程接口可以为使用不 同处理器的机器人开发应用程序，包括8 位、1 6 位或3 2 位，单核或多核 在远程连接的情况下，开发人员可以使用串口、蓝牙等设备实现从P C 到机 器人的通信同时，M S R S 允许开发人员用多种编程语言进行机器人应用程 序开发 1 2 2 存在的问题 在现存的基于各种目标设计的仿人机器人仿真平台中，仍有几个共同的问题 没有解决： 1 复杂的仿人机器人建模过程：由于仿人机器人本体模型的复杂性，使得 仿人机器人建模过程往往十分繁琐。而且现有平台全部以代码形式完成机器人建 模过程，使得建模过程不够直观。 2 仿人机器人模型的特殊性与通用性问题：仿入机器人多连杆、多自由度、 双足步行等特点，决定了其仿真平台与普通机器人平台相比应有的特殊性。而现 有的机器人平台中，对于仿人机器人模型的特殊性与通用性之间的平衡问题还没 有得到很好的解决。以微软的M S R S 和日本的O p e n H R P 为例，前者作为一个通 用的机器人平台，对仿人机器人这一分支缺乏特定的支持，使得仿人机器人模型 的仿真实现难度远远大于轮式等其它形式机器人；而O p e n H R P 则强调对平台自 带的机器人H R P 模型的支持，而对一个与H R P 结构区别较大的机器人进行仿真 就比较困难【2 7 1 。 3 机器人仿真的实时性问题：由于仿人机器人模型复杂、动力学仿真运算 量大，一部分平台不能满足机器人动力学仿真的实时性，而是以先仿真运算、再 结果演示的形式完成 6 1 绪论 1 3 本文的主要内容 本文对仿人机器人仿真的特点进行研究，针对目前仿人机器人仿真平台存在 的问题提出了新的解决方案，在此基础上开发了全新的实时仿人机器人仿真平台 一一H u B o T 。首先，H U B O T 提供模块化的建模过程，简化机器人建模；其次， 平台采用基于外部几何模型的机器人整体建模方法，较好地解决了机器人建模的 通用性问题；最后，利用基于包围体的模型简化方法，H U B O T 平台实现实时的 机器人动力学仿真。 第二章根据仿人机器人特点，对H U B O T 平台进行整体设计，包括平台的目 标，功能、界面及文件设计等方面。 第三章描述了H U B O T 平台建模系统的设计与实现方法，通过基于几何模型 的建模方法，简化建模流程。 第四章介绍了H U B O T 平台运动学仿真系统的设计与实现方法，以及基于关 键帧的快速运动生成模块。为实现适用于实物电机的运动数据生成，设计了两种 新的插值算法。 第五章介绍了H U B O T 平台动力学仿真系统的设计与实现方法。 最后在总结全文的基础上，对仿人机器人仿真系统的发展进行了展望。 7 一 2H U B O T 平台设计 2 1H U B O T 平台目标设计 ( ( H U B O T 仿人机器人建模与仿真平台( 以下简称H U B O T 平台) 将仿人 机器人的连杆建模、碰撞建模、传感器建模、电机及控制器建模、环境建模、传 感器仿真、电机和控制器仿真及调试、运动学仿真、动力学仿真集成到统一的平 台中，提供统一的操作界面，其目标主要有以下三点 2 1 1 实现运动学与动力学仿真 1 ) 运动规划：平台能调节关节角位置生成运动关键帧，根据关节角位置进 行正运动学仿真，支持关键帧之间的插值计算，用于编辑和浏览机器人 运动，关节角位置运动数据可导入动力学仿真。 2 ) 动力学仿真：以关节角位置为接口，能从文件中获取关节角位置的运动 数据，进行动力学仿真测试。 2 1 2 实现仿真电机及控制器调试、仿真传感器数据验证 1 ) 电机控制器调试：将机器人仿真模型挂起，逐个调试电机及控制器，控 制器P I D 2 8 1 参数可调节。 2 ) 传感器数据验证：获取机器人仿真模型所安装传感器的输出数据，能以 数据列表和曲线图方式显示，以测试传感器是否i 作正常。 2 1 3 辅助实物电机选型、机械结构设计 1 ) 电机选型：用于确定每个关节安装电机的性能指标，电机性能通常以其 工作曲线( 转矩速度特性曲线) 衡量，如图2 1 所示本平台通过仿真 获取每个电机的工作曲线，用于辅助实际电机的选型。 9 浙江大学硕士学位论文 茎 V 荔 图2 1 电机工作曲线不惹图 2 ) 机械结构设计：用于确定机器人关节连杆的机械零件及结构、伺服电机 及电机驱动器的类型及位置等、传感器的类型及位置等，是保证实现机 器人质量、尺寸、行走速度、自由度、作业能力等总体设计指标的关键。 本平台通过仿真获取关节速度，关节转矩、碰撞检测等信息，用于辅助 实际机械结构的设计。 2 2H U B O T 平台功能设计 ( ( H U B O T 仿人机器人建模与仿真平台的功能分为管理、建模与仿真三类， 详细功能列表如表2 1 所示。 2 2 1 建模功能 1 ) 3 D 效果建模：创建机器人的3 D 显示模型，实现开发人员的交互式操作 2 ) 连杆建模：创建机器人各个连杆的连接关系结构，是保证机器人正确运 动的基础。 3 ) 碰撞外形建模：创建机器人碰撞外形，用于动力学仿真中的碰撞检测。 4 ) 动力单元建模：机器人的动力单元通常由关节电机实现，通过电机转动 控制机器人的关节运动，实物机器人中不一定每个关节都包含关节电机 动力单元建模可以分为电机建模和驱动器建模两部分：电机建模是指确 定机器人的关节电机的配置情况( 需要与电机仿真的概念区分开来) ； 驱动器建模是指确定每个关节电机的P I D 控制器、减速器参数等。 5 ) 感知单元建模：H U B O T 平台支持虚拟速度角速度传感器、虚拟加速 1 0 2H U B O T 平台设计 度角加速度传感器、虚拟电位计( 测量关节角) 、虚拟位置朝向传感器、 虚拟摄像头。 6 ) 环境建模：支持虚拟天空、地面建模；支持虚拟世界的重力大小及方向 设置、物体材质的摩擦系数及弹性系数设置；支持基本障碍物的建模。 2 2 2 仿真功能 1 ) 运动学仿真：根据仿人机器人关节角位置计算并绘制三维机器人位姿， 提供基于运动学仿真和运动关键帧的机器人运动规划功能。 2 ) 动力学仿真：根据机器人虚拟电机运行计算并绘制三维机器人位姿 3 ) 电机仿真：实现机器人虚拟电机，作为动力学仿真阶段虚拟机器人的动 力系统。 4 ) 传感器仿真：实现机器人虚拟传感器，用于在动力学仿真阶段反馈机器 人运动状态参数。 表2 1H U B O T 平台功能 功能分类功能名称功能简述 新建工程新建一个机器人建模及仿真工程 打开工程打开一个机器人建模及仿真工程 管理 保存工程保存一个机器人建模及仿真工程 资源管理 机器人模型、运动数据的资源管理 连杆建模建立机器人的连杆结构模型 3 D 效果建模建立机器人的3 D 外形 物理碰撞建模建立机器人的碰撞检测形状 建模 动力单元建模配置机器人上电机及其控制器参数 感知单元建模配置机器人传感器 环境建模建立地面、环境对象，设置环境参数 电机及控制器仿真控制器一电机一减速器仿真 传感器仿真传感器仿真 仿真 正运动学仿真机器人动作编辑及观察 正动力学仿真 机器人机械机构的动力学验证 浙江大学硕士学位论文 2 3H U B O T 平台文件设计 ( ( H U B O T 仿人机器人建模与仿真平台将各功能模块运行结果以文件形式 保存，所有文件格式( 除几何模型文件) 均为针对本平台数据格式单独设计，非 通用文件格式。H U B O T 平台所有文件如表2 2 所示。 2 3 1 项目文件 项目文件保存平台当前项目的所有资源，包括机器人模型、环境模型和项目 参数等。项目文件后缀名为“r o b p r o j ”，文件格式示例和说明如表2 3 所示。 2