六足機器人是足式機器人的重要形式之一,其在極端工況下的搶險救災、物資輸送等方面的應用需求也日益凸顯。復雜的應用環(huán)境對其機械結構與控制系統(tǒng)的設計提出了更高的要求,無形中增加了試驗的風險與難度,高保真度仿真正是解決這一問題的重要技術手段。接觸問題是動力學仿真中的一個重要問題,對于正常運行的六足機器人來說,其接觸主要體現在兩個方面:其一為足與地面間的動態(tài)接觸,其二為關節(jié)內摩擦。為準確模擬上述兩種接觸,本文對機器人足-地接觸力學和考慮摩擦的關節(jié)逆動力學展開了研究。建立了一種機器人足-地作用力學模型。針對二級減速關節(jié)形式展開了分析,重點對其反驅特性進行了研究,建立了電機驅動力矩與關節(jié)負載-速度-位置-功率的耦合作用模型,通過實驗對模型參數進行了辨識并對模型進行了驗證。然而由于在靜態(tài)行走時,六足機器人與地面構成一個超靜定系統(tǒng),因此單足層面的接觸模型并不能完全解決六足機器人仿真的問題,需要對整個系統(tǒng)進行分析。針對此問題,本文基于旋量理論對機器人結構的柔度分析方法與運動學進行了研究,建立了一種耦合的機器人柔度模型,并進一步建立了與其對應的耦合偽剛體仿真模型。結合足-地作用力學模型,建立了六足機器人-地...

【文章頁數】：163 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
    1.2 六足移動機器人發(fā)展綜述
        1.2.1 國外六足移動機器人發(fā)展綜述
        1.2.2 國內六足移動機器人發(fā)展綜述
    1.3 機器人動力學仿真技術發(fā)展現狀綜述
    1.4 六足機器人動力學模型及控制的發(fā)展現狀綜述
        1.4.1 機器人足-地作用力學的發(fā)展現狀綜述
        1.4.2 機器人關節(jié)摩擦模型的發(fā)展現狀綜述
    1.5 國內外發(fā)展現狀分析及存在的主要問題
    1.6 課題來源及主要研究內容
第2章 機器人足-地作用與關節(jié)驅動動力學研究
    2.1 引言
    2.2 機器人足-地作用力學模型研究
        2.2.1 動態(tài)接觸條件下法向足-地力學模型研究
        2.2.2 動態(tài)接觸條件下切向足-地力學模型研究
    2.3 六足機器人關節(jié)逆動力學建模
        2.3.1 六足機器人樣機結構
        2.3.2 一般機器人關節(jié)模型
        2.3.3 考慮反驅特性的二級減速關節(jié)逆動力學建模
    2.4 六足機器人關節(jié)模型參數辨識
        2.4.1 與位置相關參數的辨識
        2.4.2 與負載相關參數的辨識
        2.4.3 與速度相關參數的辨識
        2.4.4 與速度-負載相關參數的辨識
    2.5 關節(jié)逆動力學模型分析及實驗驗證
    2.6 本章小結
第3章 基于旋量理論與柔度分析的六足機器人運動學與動力學建模
    3.1 引言
    3.2 旋量理論簡介
        3.2.1 旋量的表示
        3.2.2 旋量的指數映射
        3.2.3 雅克比矩陣及其導數形式
    3.3 考慮柔性的六足機器人運動學建模方法
        3.3.1 基于旋量理論的一般六足機器人運動學建模
        3.3.2 考慮腿部柔性的六足機器人運動學建模
        3.3.3 考慮機體柔性的六足機器人運動學建模
    3.4 考慮足-地作用的六足機器人動力學建模方法
        3.4.1 六足機器人整體靜柔度建模與變形研究
        3.4.2 地面柔度建模與六足機器人靜平衡狀態(tài)分析
        3.4.3 基于凱恩方程的六足機器人動力學建模
    3.5 六足機器人運動學與動力學建模方法的實現
        3.5.1 廣義坐標系與柔度矩陣建立
        3.5.2 運動學模型參數確定
        3.5.3 動力學建模
    3.6 本章小結
第4章 基于模型的六足機器人運動控制研究
    4.1 引言
    4.2 六足機器人運動規(guī)劃
        4.2.1 六足機器人機身運動規(guī)劃
        4.2.2 六足機器人足端軌跡規(guī)劃
    4.3 考慮打滑的六足機器人移動控制方法
        4.3.1 基于柔度辨識的足端運動狀態(tài)分析與判定
        4.3.2 六足機器人足端打滑預防與抑制方法
        4.3.3 六足機器人足端打滑預防與抑制方程的求解
    4.4 基于模型的六足機器人關節(jié)運動控制
        4.4.1 基于柔度分析的機器人運動誤差映射
        4.4.2 機器人動力學模型解耦
        4.4.3 六足機器人關節(jié)軌跡追蹤控制
    4.5 本章小結
第5章 六足機器人動力學仿真實現與實驗驗證
    5.1 引言
    5.2 六足機器人數值仿真研究
        5.2.1 數值仿真的總體結構設計
        5.2.2 足-地作用力學求解的實現方法
        5.2.3 基于MATLAB的仿真實現
    5.3 基于Vortex動力學引擎的可視化仿真研究
        5.3.1 可視化仿真的總體結構設計
        5.3.2 仿真實現與仿真效率測試
    5.4 基于Euro-Sim實時仿真框架的半實物仿真研究
        5.4.1 系統(tǒng)軟硬件架構設計
        5.4.2 系統(tǒng)實現與實時性測試
    5.5 仿真模型的實驗驗證
        5.5.1 足-地作用力學模型與可視化仿真的實驗驗證
        5.5.2 動力學模型與數值仿真的實驗驗證
        5.5.3 崎嶇地形下的實驗驗證
    5.6 控制算法的仿真驗證
        5.6.1 算法軌跡跟蹤能力的仿真驗證驗證
        5.6.2 打滑抑制控制算法驗證
    5.7 本章小結
結論
參考文獻
附錄A 可視化仿真系統(tǒng)保真度
攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝



本文編號：3956479