欠驱动双足步行机器人实时仿真系统.pdf

本发明涉及仿真技术领域，提出并实现一种欠驱动双足步行机器人实时仿真系统。实时仿真系统由多个基础平台构成，主要包括：实时控制平台、联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台，其特征在于：实时控制平台直接与实体机器人驱动系统相连，对机器人的运动进行实时控制，实时控制平台与联合仿真平台相连，能进行数据传输，联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台相连，完成实时联合仿真分析，各平台由不同的功能模块组成，各模块之间通过数据链路相连，基于该实时仿真系统能够进行实时控制算法设计、欠驱动步行机器人虚拟样机设计、控制器设计、实时联合仿真和实验结果分析，仿真系统通过人机界面完成各项操作任务。

1、  一种欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：包括实时控制平台、联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台，所述的实时控制平台又分为数据采集模块、硬件驱动模块、OpenGL(Open Graphics Library)图形显示模块、实时控制算法模块、人机界面模块、数据导入导出模块、联合仿真接口模块，所述的联合仿真平台包括联合仿真控制模块、数据处理模块，所述的机电一体化系统仿真平台包括控制器仿真模块、虚拟样机仿真模块，其中：
所述实时控制平台的数据采集模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人传感器数据的获取；
所述实时控制平台的硬件驱动模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人运动执行器的驱动；
所述实时控制平台的数据导入导出模块，实现系统实时控制平台部分数据的导入和导出；
所述实时控制平台的OpenGL图形显示模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人运动状态的同步映射，以及对导入的步态数据的运动仿真；
所述实时控制平台的实时控制算法模块，实现对欠驱动双足步行机器人的实时控制算法设计；
所述实时控制平台的人机界面模块，实现对机器人实时控制的人机交互；
所述实时控制平台的联合仿真接口模块，实现实时控制平台与联合仿真平台之间的连接；
所述联合仿真平台的联合仿真控制模块，实现对欠驱动双足步行机器人联合仿真的人机交互控制及各种操作；
所述联合仿真平台的数据处理模块，实现对联合仿真数据处理及绘图显示；
所述机电一体化系统仿真平台的虚拟样机仿真模块，实现对欠驱动双足步行机器人机械结构和动力学特性的仿真；
所述机电一体化系统仿真平台的控制器仿真模块，实现对欠驱动双足步行机器人控制器的仿真；
整个系统结构上采用模块化，在实际实现上融合了多种软件平台系统，主要完成对欠驱动步行机器人的实时控制和仿真试验，实时控制主要通过实体机器人系统和实时控制平台来实现，控制对象为实体机器人，控制器为实时控制算法模块；仿真试验主要通过联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台来实现，控制对象是虚拟样机仿真模块，控制器是控制器仿真模块，软件有数据传输链路层，各模块之间通过数据链路与其它模块相连。

2、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块，在实时控制过程中记录了实时控制算法执行的时间、参数信息，记录基本设置，还能装载系统设置、导入数据。使用链表技术，对数量不确定的实验采集的数据进行动态管理及保存，并通过指针对链表数据进行访问，使不同的控制算法在形式上具有相同的输入、输出数据格式，为仿真系统的数据数据传输提供技术支持；数据采集模块直接与实体机器人系统同相连，直接读取编程码器、接近开关等传感器信号，而数据导入导出模块较独立，只将需要的试验数据保存为需要的文件，包括数据文件、系统配置文件。

3、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的实时控制算法模块，在结构上采用可添加和方便读取的算法实现机制，称为算法容器，方便修改和添加核心控制算法，运行时只需在操作界面选择想要的控制算法，还能调用额外的算法动态链接库，实时控制算法模块的输入量来自于数据采集模块。

4、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的人机界面模块，包括实时控制操作、OpenGL图形显示参数设置、硬件参数配置、实时数据显示、算法选取、仿真控制、动画显示、模型分析几大部分的功能，人机界面模块是整个系统的操作核心，人机界面与其他实时控制平台模块都有联系，直接对其他模块进行操作，实时控制时首先人机界面对硬件驱动模块进行设置，包括串口号、波特率、控制卡输入输出开关量信号采集接口等，接着对OpenGL图形显示模块进行设置，包括图形显示的机器人运行环境参数、机器人结构参数及颜色，在显示功能上还做选择，包括机器人运动步态奇异时，当脚底与斜坡发生干涉时，动画显示脚部会改变颜色，向用户发出警示，人机界面能对实时控制算法模块的多个控制算法作出选择，试验不同的控制算法。

5、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的硬件驱动模块，通过对机器人驱动电机控制卡以及串行通讯接口等硬件电路的编程，实现对电机等执行机构的控制，硬件驱动模块提供一系列可供修改的硬件接口变量，能通过人机界面模块对接口变量进行修改，便于适应硬件的改动，人机界面启动实时控制后，系统首先通过数据采集模块获取机器人的状态数据，数据传送到实时控制算法模块，经过处理后得到控制输出信号，传送到硬件驱动模块，完成对硬件的驱动，主要是控制卡的PWM(Pulse Width Modulation)输出占空比及输出启停。

6、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的OpenGL图形显示模块，对该模块输入步态数据能映射出机器人运动动画，能对三维显示机器人及环境模型进行旋转、移动、外形调整和颜色修改，对步态数据对应的机器人运行情况进行直接观察，步态数据来自于传感器数据和仿真结果数据，通过实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块来传递给OpenGL图形显示模块，这一过程不需要人为操作，只要实时控制算法模块运行，数据会自动传递给OpenGL图形显示模块。

7、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的联合仿真接口模块，作为实时控制平台和联合仿真平台之间的连接部分，主要完成数据交换功能，当实时控制平台需要仿真分析数据，对数据进行导入处理，同样联合仿真平台需要实体机器人步态记录数据时，也能进行转换导入。

8、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述联合仿真平台的联合仿真控制模块，对联合仿真多项操作任务进行操作，启动控制器设计软件平台、联合仿真的启停、数据的处理及显示操作，联合仿真控制模块直接操作机电一体化系统仿真平台和联合仿真平台的数据处理模块，这些操作设计到仿真控制和底层的数据处理，以指令的形式发出，包括启动控制器仿真模块，并且检测是否启动成功，启动成功后才能进行下一步的工作，启动失败则发出警告，启动联合仿真，这时双足步行机器人仿真模块与控制器仿真模块相连，底层软件进行求解运算。

9、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述联合仿真平台的数据处理模块，用来处理仿真提供的很多数据，在系统里不同的软件平台能实现对数据的不同处理方式，能完成绘制曲线，回放仿真动画，同步显示动态曲线，或对绘图界面进行设计，得到需要的GUI(Graphical User Interface)界面，数据处理模块的数据来源于仿真系统中机器人机电一体化仿真模型求解的结果，或来源于实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块。

10、  根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述机电一体化系统仿真平台的虚拟样机仿真模块和控制器仿真模块，这两个模块完成建立机器人机电一体化仿真模型，控制器仿真模块主要有在仿真系统软件里设计的控制器，欠驱动双足步行机器人仿真模块有机器人的虚拟样机，启动控制器仿真模块后，在模块里进行控制器设计，虚拟样机仿真模块是仿真分析的核心，它包含了机器人的机械结构参数、机器人运动条件、环境参数、虚拟样机控制输入接口、虚拟样机状态输出接口等信息，这些机器人仿真模型相关参数都以列表的形式存在，试验时方便修改，设计机器人相关参数，进行保存即进入联合仿真，通过联合仿真控制模块启动联合仿真，控制器仿真模块的数据能通过示波器实时显示曲线，包括机器人各关节角度、某部分机构运行轨迹、相关力和力矩，用户能自己设定，而虚拟样机仿真模块的数据则直接转化为三维图形动画输出。

欠驱动双足步行机器人实时仿真系统
技术领域
本发明涉及的是一种仿真技术领域的系统，特别是一种欠驱动双足步行机器人仿真系统。涉及到机械系统动力学分析、控制科学与工程、虚拟设计与制造、计算机科学与软件工程、数据处理等领域，主要用于欠驱动步行机器人的机械结构设计、动力学分析、控制算法开发及对机器人进行实时控制和在线调试。
背景技术
欠驱动双足机器人的开发研究主要有两个方面的内容：实时控制和仿真试验。
实时控制是完成对实体机器人的实际控制，并记录数据，重点是试验调试和算法研究。欠驱动机器人控制系统的主要任务是通过对对机器人各关节的控制，进而实现对机器人行走时的姿态进行控制，使机器人能够平稳、快速和行走。在工具使用上控制系统有很多种形式，对于欠驱动双足机器人的开发研究来说工控机肯定是最方便的，由于有WINDOWS操作系统，开发控制软件和进行算法研究更为方便。
机器人动力学仿真能够对机器人的动态进行较为准确的预测，对机器人的机械结构设计、控制算法开发及验证提供分析依据，与实际机器人加工调试相比能节省开发成本、提高开发效率。
由于欠驱动双足机器人是一个高阶、非线性、强耦合的复杂机电系统，难以建立可用于动力学分析和运动规划的显式有效的数学模型。随着计算技术的快速发展，用计算机软件能建立复杂机械系统的三维实体模型和动力学模型，能完成虚拟样机模型建立和动力学求解。虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，为机器人仿真分析带来很大的方便。
仿真试验是在系统里建立机器人虚拟样机模型，设计控制器，两者构成了机电一体化系统的仿真平台，通过反复在平台上进行试验调试，得到欠驱动双足步行机器人的控制算法，总结欠驱动双足步行机器人运行的规律。
目前，通过仿真试验来研究机器人的各种性能和特点，已经是机器人理论研究必备方法之一。同时，仿真试验结果也为制造机器人提供了有效的参考依据。因此，机器人仿真系统对理论和实践的价值、意义及作用是显而易见的。例如仿真系统利用计算机的计算功能和可视化手段，模拟机器人的动态特性，有助于研究人员理解机器人的工作空间的形态及性能参数。揭示机器人的运动学、动力学及有效的控制算法等，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问题，避免直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。
经过对现有技术的文献检索发现，能够完成所述各模块功能的软件和平台有很多，或是单独完成联合仿真和实时控制功能，但都没有构成系统，在操作上没有本申请的仿真系统方便，在功能上没有本申请的仿真系统全面。因此，开发一个仿真系统用于欠驱动双足步行机器人的实时控制、仿真分析等用途是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，使其能方便完成对欠驱动双足步行机器人的实时控制，以及模拟实际欠驱动双足步行机器人的运动情况，真实反映欠驱动双足步行机器人的运动机理，能够进行控制器设计，机器人机构设计，以供研制过程中机械结构设计、控制算法研究以及整体优化等方面。
本发明是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：
本发明包括：整个系统涉及到了实体机器人系统、实时控制平台、联合仿真平台、机电一体化系统仿真平台四个大部分，四部分的连接关系参阅附图1，欠驱动双足步行机器人实时仿真系统结构如图2所示。对仿真系统而言，重点在于对实时控制平台、联合仿真平台、机电一体化仿真系统的开发。
所述的实时控制平台又分为数据采集模块、硬件驱动模块、OpenGL(Open GraphicsLibrary)图形显示模块、实时控制算法模块、人机界面模块、数据导入导出模块、联合仿真接口模块，所述的联合仿真平台包括欠驱动双足步行机器人仿真模块、数据处理模块，所述的机电一体化系统仿真平台包括控制器仿真模块、联合仿真控制模块，其中：
所述实时控制平台的数据采集模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人传感器数据的获取；
所述实时控制平台的硬件驱动模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人运动执行器的驱动；
所述实时控制平台的数据导入导出模块，实现系统实时控制平台部分数据的导入和导出；
所述实时控制平台的OpenGL图形显示模块，实现对实体欠驱动双足步行机器人运动状态的同步映射，以及对导入的步态数据的运动仿真；
所述实时控制平台的实时控制算法模块，实现对欠驱动双足步行机器人的实时控制算法设计；
所述实时控制平台的人机界面模块，实现对机器人实时控制的人机交互；
所述实时控制平台的联合仿真接口模块，实现实时控制平台与联合仿真平台之间的连接；
所述联合仿真平台的联合仿真控制模块，实现对欠驱动双足步行机器人联合仿真的人机交互控制及各种操作；
所述联合仿真平台的数据处理模块，实现对联合仿真数据处理及绘图显示；
所述机电一体化系统仿真平台的虚拟样机仿真模块，实现对欠驱动双足步行机器人机械结构和动力学特性的仿真；
所述机电一体化系统仿真平台的控制器仿真模块，实现对欠驱动双足步行机器人控制器的仿真；
整个系统结构上采用模块化，在实际实现上融合了多种软件平台系统，主要完成对欠驱动步行机器人的实时控制和仿真试验，实时控制主要通过实体机器人系统和实时控制平台来实现，控制对象为实体机器人，控制器为实时控制算法模块；仿真试验主要通过联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台来实现，控制对象是虚拟样机仿真模块，控制器是控制器仿真模块，软件有数据传输链路层，各模块之间通过数据链路与其它模块相连。
所述的实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块，所述的欠驱动双足步行机器人实时仿真系统，其特征是：所述实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块，在实时控制过程中记录了实时控制算法执行的时间、参数信息，记录基本设置，还能装载系统设置、导入数据。使用链表技术，对数量不确定的实验采集的数据进行动态管理及保存，并通过指针对链表数据进行访问，使不同的控制算法在形式上具有相同的输入、输出数据格式，为仿真系统的数据传输提供技术支持；数据采集模块直接与实体机器人系统同相连，直接读取编程码器、接近开关等传感器信号，而数据导入导出模块较独立，只将需要的试验数据保存为需要的文件，包括数据文件、系统配置文件。整个系统构成上除了实体软件，还有很多运行时加载的文件，主要有接口文件、模型文件、控制器文件、数据文件、算法文件、系统配置数据文件、仿真数据文件、动态链接库等，在仿真系统人机界面能直接打开部文件进行编辑，这些文件为系统管理和仿真分析设计带来方便。
所述的实时控制平台的实时控制算法模块，实时控制算法模块在结构上采用可添加和方便读取的算法实现机制，称为算法容器，能方便修改和添加核心控制算法，运行时只需在操作界面选择想要的控制算法，还能调用额外的算法动态链接库。实时控制算法模块的输入量来自于数据采集模块。
所述实时控制平台的人机界面模块，包括实时控制操作、OpenGL图形显示参数设置、硬件参数配置、实时数据显示、算法选取、仿真控制、动画显示、模型分析几大部分的功能，人机界面模块是整个系统的操作核心，人机界面与其他实时控制平台模块都有联系，直接对其他模块进行操作，实时控制时首先人机界面对硬件驱动模块进行设置，包括串口号、波特率、控制卡输入输出开关量信号采集接口等，接着对OpenGL图形显示模块进行设置，包括图形显示的机器人运行环境参数、机器人结构参数及颜色，在显示功能上还做选择，包括机器人运动步态奇异时，当脚底与斜坡发生干涉时，动画显示脚部会改变颜色，向用户发出警示，人机界面能对实时控制算法模块的多个控制算法作出选择，试验不同的控制算法。
所述的实时控制平台的硬件驱动模块，通过对机器人驱动电机控制卡以及串行通讯接口等硬件电路的编程，实现对电机等执行机构的控制。硬件驱动模块提供一系列可供修改的硬件接口变量，能通过人机界面模块对接口变量进行修改，便于适应硬件的改动，人机界面启动实时控制后，系统首先通过数据采集模块获取机器人的状态数据，数据传送到实时控制算法模块，经过处理后得到控制输出信号，传送到硬件驱动模块，完成对硬件的驱动，主要是控制卡的PWM(Pulse Width Modulation)输出占空比及输出启停。
所述的实时控制平台的OpenGL图形显示模块，对该模块输入步态数据能映射出机器人运动动画，能对三维显示机器人及环境模型进行旋转、移动、外形调整和颜色修改，对步态数据对应的机器人运行情况进行直接观察，步态数据来自于传感器数据和仿真结果数据，通过实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块来传递给OpenGL图形显示模块，这一过程不需要人为操作，只要实时控制算法模块运行，数据会自动传递给OpenGL图形显示模块。
所述的实时控制平台的联合仿真接口模块，作为实时控制平台和联合仿真平台之间的连接部分，主要完成数据交换功能，当实时控制平台需要仿真分析数据，能对数据进行导入处理，同样联合仿真平台需要实体机器人步态记录数据时，也能进行转换导入。
所述的联合仿真平台的联合仿真控制模块，对联合仿真多项操作任务进行操作，启动控制器设计软件平台、联合仿真的启停、数据的处理及显示操作。联合仿真平台的联合仿真控制模块是联合仿真平台的操作核心，直接操作机电一体化系统仿真平台和联合仿真平台的数据处理模块，这些操作设计到仿真控制和底层的数据处理，以指令的形式发出，包括启动控制器仿真模块，并且检测是否启动成功，启动成功后才能进行下一步的工作，启动失败则发出警告，启动联合仿真，这时双足步行机器人仿真模块与控制器仿真模块相连，底层软件进行求解运算。
所述联合仿真平台的数据处理模块，用来处理仿真提供的很多数据，在系统里不同的软件平台能实现对数据的不同处理方式，能完成绘制曲线，回放仿真动画，同步显示动态曲线，或对绘图界面进行设计，得到需要的GUI(Graphical User Interface)界面，数据处理模块的数据来源于仿真系统中机器人机电一体化仿真模型求解的结果，或来源于实时控制平台的数据采集模块和数据导入导出模块。
所述机电一体化系统仿真平台的虚拟样机仿真模块和控制器仿真模块，这两个模块完成建立机器人机电一体化仿真模型，控制器仿真模块主要有在仿真系统软件里设计的控制器，欠驱动双足步行机器人仿真模块有机器人的虚拟样机，启动控制器仿真模块后，在模块里进行控制器设计，虚拟样机仿真模块是仿真分析的核心，它包含了机器人的机械结构参数、机器人运动条件、环境参数、虚拟样机控制输入接口、虚拟样机状态输出接口等信息，这些机器人仿真模型相关参数都以列表的形式存在，试验时方便修改，设计机器人相关参数，进行保存即进入联合仿真，通过联合仿真控制模块启动联合仿真，控制器仿真模块的数据能通过示波器实时显示曲线，包括机器人各关节角度、某部分机构运行轨迹、相关力和力矩，用户能自己设定，而虚拟样机仿真模块的数据则直接转化为三维图形动画输出。机电一体化系统仿真平台是一个多软件集成的平台，联合仿真其实是一个多软件联合求解的过程，它与实时控制平台不同，运行时除了软件本身，还需要调用很多底层设计文件，如最基本的虚拟样机模型文件和控制器文件。
与现有技术相比，本发明的突出特点是功能齐全和操作方便，在实体机器人系统的调试过程中，在控制算法设计开发过程中发挥重要作用。应用本发明的实时仿真系统，系统的控制算法修改方便，结果数据处理方便，同步的OpenGL图形动画显示使对机器人的运动状态更为直观，还能随时复现。使用本发明进行仿真试验时，能随时模拟机器人的运动，调试控制算法，改进机械结构，而不必采用在实体机器人上调试，大大节省了时间和人力，提高了工作效率。
附图说明
图1欠驱动双足步行机器人开发与运行系统结构图；
图2欠驱动双足步行机器人实时仿真系统结构图；
图3欠驱动双足步行机器人实时仿真系统软件平台结构及功能图；
图4实时控制系统结构图；
图5OpenGL图形动态显示剪切组合图；
图6联合仿真实时显示界面图；
图7ADAMS仿真后处理分析界面图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明的具体内容作进一步说明：
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明是对欠驱动双足步行机器人进行仿真的系统，整个系统涉及到了实体机器人系统、实时控制平台、联合仿真平台、机电一体化系统仿真平台四个大部分，如附图1和图2所示。各部分功能相对独立，硬件与软件之间通过PC机平台相连，软件平台之间通过数据链路相连。
欠驱动双足步行机器人的研究是一项涉及到多领域的综合性高科技研究，单一的研究软件平台已经很难满足实际应用要求。多软件联合仿真已经得到了广泛应用，充分利用多个软件的特长将会为仿真分析带来方便，欠驱动双足步行机器人仿真系统的软件平台及各部分功能如图3所示。
用Visual C++开发的本仿真系统的基础软件平台，命名为PADW-JLU-SIM，实时控制平台、联合仿真平台只是PADW-JLU-SIM的两个功能相对独立的部分，通过PADW-JLU-SIM软件平台实现了多软件融合。
联合仿真平台下的控制器仿真模块功能实现依赖于对MathWorks公司的MATLAB7.0(Matrix Laboratory)的使用，基于MATLAB软件能在SIMULINK里控制器，机器人理论模型动力学方程求解及建立，还有观看结果的GUI图形显示界面设计。
联合仿真平台下的虚拟样机仿真模块功能实现主要依赖于机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机动力学分析软件。
以下提供本发明仿真系统实现对上述欠驱动双足步行机器人仿真的实施例。
实施例一
本实施例用于对欠驱动双足步行机器人进行实时控制，对控制算法进行调试，所涉及的部件包括实体机器人、实时控制模块。
本实施例中欠驱动双足步行机器人仿真系统用实时控制模块来完成对机器人的实时控制，实现实时控制的系统结构图如图4所示。
在对实体欠驱动机器人的控制和调试实验中，试验主要进行控制算法的设计和试验数据分析，算法修改和添加给分析带来方便，修改方法是在VC软件平台打开实时控制平台开发代码，向实时控制算法模块里添加或修改控制算法，编译代码，得到实时控制平台，通过人机界面模块设置各种参数，包括算法选择、OpenGL图形显示设置、硬件接口设置，这些设置直接修改相关模块的内部结构，仿真后数据保存和导入模块自动完成记录步态数据，OpenGL图形显示模块实时显示动画，显示效果如附图5所示；通过人机界面模块的手动调试界面能手动让机器人按照某种步态运动，记录步态数据，这时软件充当步态数据产生器，这些步态数据在仿真分析中还能用到。
上述实验研究的本发明实施例使用中，基本的流程如下：
第一步，在VC软件平台打开实时控制平台开发代码，向实时控制算法模块里添加或修改控制算法，编译代码，得到实时控制平台。
第二步，打开实时控制平台，软件进入进入工作状态，用手固定机器人。
第三步，通过人机界面模块设置各种参数，包括算法选择、OpenGL图形显示设置、硬件接口设置。
第四步，在人机界面模块打开机器人的手动控制面板，调节机器人的初始状态。
第五步，放手让机器人行走，运行过程中在人机界面上控制机器人驱动的启停。
实施例二
本实施例用于对欠驱动双足步行机器人的联合仿真分析。所涉及的部件包括实时控制平台、联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台。
应用控制器仿真模块对具有膝关节的多自由度欠驱动双足行走机器人进行了运动-动力学建模与数值仿真，利用姿态还原算法重建机器人行走的运动学过程，此时控制器仿真模块数值求解器是仿真软件的计算核心，负责对机器人行走的动态方程进行求解，得到机器人的步态数据，应用计算机通信接口实现与机器人原型机的双向通信与控制连接，人机交互界面负责接收仿真参数设置，并向后台数学求解器传递参数与控制命令，并显示仿真结果，同步OpenGL图形显示模块完成机器人行走的3D动画演示。人机交互界面能进行仿真参数、机器人模型参数、显示颜色、硬件接口等的设置；能完成各种参数修改；能完成机器人仿真控制，如脚发生干涉(与地面接触的步态不对)时，脚会改变颜色，还能选择脚干涉是停止前进；实际机器人控制和调试，还能手动控制机器人的运动。
上述实验研究的本发明实施例使用中，基本的流程如下：
第一步，打开实时控制平台，进入工作状态。
第二步，打开联合仿真平台，通过联合仿真平台启动机电一体化系统仿真平台的控制器仿真模块，接着还能对启动进行测试，启动成功后，运行步态求解方程，得到步态数据。
第三步，实时控制平台自动导入步态数据，启动仿真，得到OpenGL图形显示动画，观察分析机器人的运动步态。
实施例三
本实施例用于对欠驱动双足步行机器人的联合仿真分析。所涉及的部件包括联合仿真平台和机电一体化系统仿真平台。
在机电一体化系统仿真平台的虚拟样机仿真模块里对机器人虚拟样机模型进行参数匹配和调整，在控制器仿真模块里设计控制器，控制器的形式是多样的，控制器输出量通过算法计算得到，形成闭环控制，但也能是通过控制器直接导入的步态数据，这时是开环控制。联合仿真时控制器仿真模块与虚拟样机仿真模块同时工作，而这之间有实时数据传递，协同完成动力学求解和控制器响应输出。进行联合仿真，实现机构设计和动力学分析，经过反复试验，分析机器人的运动机理，从而进行参数优化和控制设计。
上述实验研究的本发明实施例使用中，基本的流程如下：
首先是打开联合仿真平台，进入工作状态。
第二步，用户启动机电一体化系统仿真平台的联合仿真控制模块，接着打开控制器仿真模块，还能对启动进行测试，检查是否成功启动，启动成功后能对控制器进行修改设计。
第三步，通过联合仿真平台的联合仿真控制模块上的按钮启动联合仿真，联合仿真效果如附图6所示。
第四步，启动机电一体化系统仿真平台的虚拟样机仿真模块，导入虚拟样机，进行机器人参数设置，用户在虚拟样机仿真模块里的图形化界面上设置机器人相应的参数以及环境信息，设置完成保存虚拟样机模型，然后回到第三步的操作进行联合仿真试验。
第五步，联合仿真完成后点击数据处理按钮，调用GUI图形显示界面来观看结果。
第六步，通过仿真后数据能对仿真进行回放分析，如附图7所示。