[发明专利]面向空间多分支机器人在轨攀爬的动力学仿真平台及方法

说明书

本发明公开了一种面向空间多分支机器人在轨攀爬的动力学仿真平台及方法，所述动力学仿真平台包括Gazebo三维模拟器、机器人模型、仿真场景模型、机器人控制器、Gazebo插件、人机交互界面和程序开发模块。本发明基于ROS与Gazebo三维模拟器构建而成，Gazebo三维模拟器自带多种插件，例如：六维力传感器插件、Kinect相机插件等，在现有插件无法满足仿真需求的情况下，Gazebo三维模拟器允许用户自定义插件，使仿真平台更加高效。本发明的仿真平台自带有多种机器人控制器，如：关节位置控制器、关节速度控制器以及关节力矩控制器等，仿真平台为机器人控制器预留接口，允许用户自定义控制器，满足多种仿真需求。

技术领域

本发明属于机器人动力学仿真领域，涉及一种机器人动力学仿真平台及仿真方法，具体涉及一种面向空间多分支机器人在轨攀爬的动力学仿真平台及仿真方法。

背景技术

目前，在轨建造技术可突破运载工具限制的优势，使得建造大型空间设施成为可能。空间多分支机器人因其灵活性高、负载大等优点，可完成在轨建造的诸多任务。在轨建造任务中，空间多分支机器人需面临桁架攀爬、操作功能模块等任务，这需要在机器人步态规划、控制方法及动力学特性等方面进行研究。目前，空间多分支机器人尚不具备真实物理环境试验的条件，在这种情况下，动力学仿真就尤为重要。通过动力学仿真，可以对步态规划方法、控制方法等进行研究与验证，并具有低成本、无风险等优点。

目前常见的动力学仿真根据机器人基座与世界坐标系之间的关系可分为固定基座仿真与无固定基座仿真。固定基座仿真指机器人基座与世界坐标系之间通过固定关节相连，在仿真过程中，机器人基座保持静止，该类型仿真常见的有：工业机器人仿真、协作机械臂仿真等。无固定基座仿真指机器人基座与世界坐标系之间没有关节约束，其各支链末端连杆与世界坐标系之间也没有关节约束，而是靠各支链连杆与世界坐标系之间的接触关系决定了机器人状态，该类型仿真常见的有：四足机器人仿真、轮式移动底盘仿真等。但是，空间多分支机器人在工作过程中，基座是变化的。例如，在初始状态下，机器人中心部位杆件与舱体固连，此时它充当机器人基座；在攀爬空间桁架的过程中，随着不同末端执行器与空间桁架完成锁紧连接，机器人基座也随之发生变化。因此，采用传统动力学仿真方法并不能很好地完成空间多分支机器人动力学仿真。

综上，针对空间多分支机器人步态规划、控制方法等方面的研究与验证，设计一种面向空间多分支机器人在轨攀爬的动力学仿真平台及方法尤为重要。

发明内容

为解决背景技术存在的上述不足，本发明提供了一种面向空间多分支机器人在轨攀爬的动力学仿真平台及方法，在不具备真实物理环境试验条件的背景下，为空间多分支机器人提供步态规划、控制方法等方面的研究与验证平台。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种面向空间多分支机器人在轨攀爬的动力学仿真平台，该仿真平台基于ROS环境、采用模块化设计构建而成，包括Gazebo三维模拟器、机器人模型、仿真场景模型、机器人控制器、Gazebo插件、人机交互界面和程序开发模块，其中：

所述ROS环境指ROS机器人操作系统，其负责为Gazebo三维模拟器、机器人控制器、人机交互界面和程序开发模块提供通讯框架；

所述Gazebo三维模拟器为仿真平台提供物理仿真环境；

所述机器人模型指针对机器人编写的URDF文件，该文件负责提供机器人的运动学模型、动力学模型、碰撞检测模型和可视化模型；

所述仿真场景模型指针对仿真场景、按照SDF格式编写的.world文件，该文件负责提供仿真场景光照、重力、用户相机视角、物体模型、物理引擎、插件等信息；

所述机器人控制器指按照Gazebo机器人控制器格式编写的代码库，在仿真时被加载入Gazebo三维模拟器中，仿真过程中，根据用户指令控制机器人完成相应动作；