基于足-地作用建模的六足机器人动力学仿真研究

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NASA研发的全地形六足探测器“ATHLETE”为美国即将建立的移动月球基地提供了强大的载体,其完善的地形适应能力和42自由度冗余驱动功能向世界展示了足/腿式机器人的发展潜力。足/腿式机器人有别于传统的轮式移动平台,将会以其独特的优势在复杂苛刻地形环境的物资运输、星球探测等领域发挥重要作用。足-地作用力学是机器人的机体与地形界面接触的唯一载体,决定了机器人的移动特性和承载能力,本课题围绕六足机器人的足-地力学模型展开研究,并基于足-地力学模型对机器人进行动力学联合仿真分析。课题研究了硬地质环境中的足-地力学模型,建立了柔性足与硬地质环境的非线性刚度-阻尼力学模型,提出了Coulomb切向模型的改进形式,分析了模型的参数辨识方案,以此编写了模型参数的辨识程序。设计加工了带有柔性足的实验腿,以六维力/力矩传感器、直线位移传感器、信号数据控制处理系统等为核心,组建了足-地力学模型试验系统。通过实验平台研究了硬地质环境中的足-地力学模型,对模型参数进行了辨识求解。以地面力学的应力分布理论为基础,推导了松软地质环境中的足-地应力积分模型。提出了松软地质环境中的复合非线性刚度-阻尼模型,并分析了应力积分模型和复合非线性刚度-阻尼模型的统一形式。通过实验平台对模型进行参数辨识研究,以建立完备的足-地力学模型解析式。基于上述研究的足-地力学模型,以Fortran语言编写了模型的二次开发程序,以此生成了动力学仿真软件ADAMS的动态链接库;分析了Matlab/Simulink与ADAMS的动力学联合仿真平台,在推导的足-地力学模型的解算基础上,对六足机器人进行了整体动力学仿真分析。通过本课题的工作,建立了硬地质和松软地质环境中的足-地力学模型,同时,基于足-地力学模型的联合仿真分析为机器人的结构设计提供了参考,为多足机器人的多自由度冗余驱动控制算法提供了虚拟验证平台。
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