基于Vortex平台的重载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保障,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。对于重载六足机器人来说,由于其机械结构质量较大,故相同的运动条件下其对结构造成的冲击也较大,机器人的足端运动轨迹在很大程度上影响了机器人运动的平稳性和使用寿命。本文以减小机器人腿足运动时的起落冲击为目的,设计了一种足端运动轨迹,使机器人足在开始运动和停止运动时速度冲击和力冲击均为零,并针对直线行走和原地转弯选择了步态,通过求解静态稳定裕度的方法对步态的稳定性进行了分析。与基于运动学位置控制和速度控制相比,基于动力学的力控制具有更好的柔顺性,而这个特点对于重型机器人来说尤为重要,本文从动力学分析入手,利用牛顿—欧拉方法建立起机器人的动力学方程,并对基于动力学模型的控制进行了研究,设计了基于模糊PID的控制器。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,而目前一般的动力学软件对于接触力的求解都是利用刚体碰撞的方式来实现的,这并不适用于本课题的研究,本文对足-地接触的作用过程进行了分析,针对松软地质建立了足-地接触力学模型,并通过实验验证了其正确性。在机器人的研制过程中,动力学仿真扮演着重要的角色,可以对机器人的设计起到指导作用。基于Vortex搭建了六足机器人动力学仿真平台,并将所建立的足-地作用力学模型和基于动力学的控制算法加入其中,对所设计的运动进行了仿真和评价。
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