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《四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析與仿真》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析與仿真張錦榮1，王潤孝2（1長安大學(xué)，西安710064，2西北工業(yè)大學(xué)，西安710072）摘要:針對四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用拉格朗日法導(dǎo)出其簡化結(jié)構(gòu)多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組。同時(shí)利用ADAMS建立了四足機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，采用規(guī)劃好的步態(tài)，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)建模的正確性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，為提升控制品質(zhì)的后續(xù)研究工作提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；動(dòng)力學(xué)；仿真DynamicanalysisandsimulationonquadrupedrobotZhangJinrong1
2、，WangRunxiao2(Chang'anUniversity，Xian7100764；NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xian710072)Abstract:Basedonthestructuralcharacteristicsofquadrupedrobot,dynamicequationgroupforsimplified-structureofthequadrupedrobot’smulti-rigidbodysystemiseducedusingLagrangeprincipl
3、e.AvirtualprototypesisestablishedusingADAMS,andsimulatedinusingitsplannedgait.Simulationresultstestedtheexactnessofdynamicsmodelandtherationalityofstructuredesignaswellasprovidevaluabledatainformationforfurtherresearchonimprovingcontrolqualityofthequadrupedrobot.Keyw
4、ord:quadrupedrobot;dynamics;simulation與傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人相比，四足機(jī)器人有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性，既可以進(jìn)入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺階、上下斜坡甚至在不平整地面上運(yùn)動(dòng)，因此，對四足機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題。四足機(jī)器人是主動(dòng)機(jī)械裝置，每個(gè)關(guān)節(jié)可單獨(dú)傳動(dòng)。從控制理論的觀點(diǎn)來看，機(jī)器人系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型具有顯著的非線性和復(fù)雜性，而動(dòng)力學(xué)問題又是實(shí)現(xiàn)高精度控制與機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。[1][2]本文以四足機(jī)器人為研究對象，對其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)
5、建模與仿真，為后續(xù)機(jī)器人的控制算法提供了數(shù)學(xué)模型，也為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器的選型等提供理論依據(jù)。1四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四足哺乳類動(dòng)物的每條腿由五段組成，通過與軀干的連接構(gòu)成五個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)至少有一個(gè)自由度，這種超冗余自由度使動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)極其靈活。但是，在四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了降低控制的復(fù)雜程度，它的腿部不可能像動(dòng)物那樣具有五段和超冗余自由度。[3]在力求達(dá)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性的前提下，對機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，如圖1所示，腿部結(jié)構(gòu)包括側(cè)擺、大腿、小腿三部分，這三部分由直流電機(jī)帶動(dòng)其繞各自關(guān)節(jié)軸擺動(dòng)
6、，形成側(cè)擺、髖和膝關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)配置形式為全肘式，即前后兩對腿全部為肘式關(guān)節(jié)。由于它的每條腿有三個(gè)自由度，所以理論上能同時(shí)滿足空間三個(gè)方向的自由度要求。(a)結(jié)構(gòu)簡圖(b)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)1四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析常用的方法有牛頓－歐拉方程和拉格朗日法。拉格朗日法是一種功能平衡法，它只需要速度而不必求內(nèi)作用力，是一種直截了當(dāng)和簡便的方法。本文利用拉格朗日法來分析和求解了三自由度步行足的動(dòng)力學(xué)方程。四足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)如圖2所示，側(cè)擺關(guān)節(jié)在平面轉(zhuǎn)動(dòng)，、和分別為側(cè)擺、大腿和小腿的質(zhì)量，且以腿末端的點(diǎn)質(zhì)量表示，、
7、和是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，為重力加速度。圖2四足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程[3]為（1）式（1）中，為系統(tǒng)的總動(dòng)能，為系統(tǒng)的總勢能，是為關(guān)節(jié)的角度坐標(biāo)，為關(guān)節(jié)的角速度，稱為關(guān)節(jié)力矩。桿件質(zhì)心的線速度和角速度可表示成：（2）（3）式（2）、式（3）中和分別是與第個(gè)連桿重心位置的平移速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度相關(guān)的雅可比矩陣，則：系統(tǒng)的平動(dòng)動(dòng)能（4）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能（5）系統(tǒng)的總動(dòng)能為平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和，為（6）式（6）中由公式（7）獲得（7）系統(tǒng)的總勢能為：（8）式（8）式中的是第根桿件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的位置由（1）、（6）、（8
8、）式，得各關(guān)節(jié)力矩（9）式（9）中，（10）1模型的仿真驗(yàn)證ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）是集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，是目前世界上使用最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。1
