基于足地耦合建模的六足机器人足力分配研究

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移动机器人包括轮式移动机器人、履带式移动机器人和足式移动机器人等几种形式,其中足式移动机器人相对于轮式移动机器人和履带式移动机器人在复杂地形的通过性优势显著但是却具有更复杂的结构和更大的控制难度。六足机器人作为一种足式机器人形式,具有较强的行走稳定性,非常适合在野外非结构环境下承担运输作业任务,因此对六足机器人基础理论的研究具有重要意义,有利于推动我国机器人技术的发展以及星际探测任务的顺利开展。  建立了六足机器人坐标系,六足机器人运动学模型的建立中采用D-H法建立单腿正逆运动学方程;根据六足机器人的并联运动链性质,推导了整机正逆运动学模型;采用了牛顿-欧拉迭代法推导了单腿动力学方程;建立了硬质地面足地模型。  分析了整机静力学得出足端切向力与法向力解耦的结论。基于足力解耦的性质对法向足力和切向足力分别进行分析,提出了法向足力耦合模型和切向足力耦合模型。  提出了六足机器人足力分配的分步二次规划法,并考虑了法向力约束、关节力矩约束和摩擦锥约束。对不同爬坡角度采用不同足力分配方法的六足机器人进行了数值仿真分析,比较了足力分布变化情况。结果显示采用分步二次规划足力分配算法相比于改进伪逆法在数值上的解更有利于提高六足机器人的爬坡能力。  采用动力学仿真对机器人的分析可以大幅度提高机器人研制效率,方便验证控制算法的可行性和有效性。六足机器人采用阻抗控制算法实现对足力的控制,以实现对足力分配算法的验证。采用Simulink与ADAMS联合仿真平台进行了足力分配的仿真验证,得到了较为理想的仿真结果,验证了本文所提出的分步二次规划方法的正确性。仿真结果表明采用分步二次规划方法与不进行足力分配和采用改进伪逆法进行足力分配相比,提高了六足机器人的爬坡能力。
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