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欠驱动系统是指控制输入小于系统自由度的系统。由于驱动器的减少,系统具有重量轻、成本低、能耗少等诸多优点。对于欠驱动系统的力学意义的描述是二阶非完整系统,其非完整约束由二阶微分方程表示,即指系统加速度的不可积性。已有前人证明过二阶非完整系统是可控的。
RRRobot(Rock&Roll Robot)是仿生六足机器人RHex(Hexapod Robot)的简化模型。它的本体为半球体,在本体两侧有对称的两个可旋转短腿的机器人。本文讨论欠驱动机器人RRRobot的动力学与运动规划问题。为简化模型,仅考虑RRRobot只绕其中心轴转动的情况,即RRRobot的转动模型的动力学问题。首先,利用拉格朗日方程,建立RRRobot的转动模型的动力学模型,导出RRRobot的转动模型的非完整约束方程并对其进行降阶约化。利用非完整约束的特性,通过控制机器人两腿的速度输入,可使机器人的本体和两腿达到不同的位置,实现机器人系统从一种初始位姿到另一种目标位姿的运动规划。然后,讨论了两腿的控制输入如何影响机器人本体转动的问题,找到了机器人腿部控制输入与本体转动之间的关系,并利用这种关系,通过对机器人腿部控制输入规律的设计,实现对本体转动姿态的预测。最后,在上述建立的RRRobot的转动模型的非完整约束方程的基础上,利用基于高斯一牛顿算法的优化方法研究了RRRobot转动模型运动规划问题。同时,文章在各章都通过仿真实验验证了所做工作的有效性与可行性。