基于柔性及反驱特性的六足机器人建模与仿真研究
发布时间：2024-04-16 04:54
六足机器人是足式机器人的重要形式之一,其在极端工况下的抢险救灾、物资输送等方面的应用需求也日益凸显。复杂的应用环境对其机械结构与控制系统的设计提出了更高的要求,无形中增加了试验的风险与难度,高保真度仿真正是解决这一问题的重要技术手段。接触问题是动力学仿真中的一个重要问题,对于正常运行的六足机器人来说,其接触主要体现在两个方面:其一为足与地面间的动态接触,其二为关节内摩擦。为准确模拟上述两种接触,本文对机器人足-地接触力学和考虑摩擦的关节逆动力学展开了研究。建立了一种机器人足-地作用力学模型。针对二级减速关节形式展开了分析,重点对其反驱特性进行了研究,建立了电机驱动力矩与关节负载-速度-位置-功率的耦合作用模型,通过实验对模型参数进行了辨识并对模型进行了验证。然而由于在静态行走时,六足机器人与地面构成一个超静定系统,因此单足层面的接触模型并不能完全解决六足机器人仿真的问题,需要对整个系统进行分析。针对此问题,本文基于旋量理论对机器人结构的柔度分析方法与运动学进行了研究,建立了一种耦合的机器人柔度模型,并进一步建立了与其对应的耦合伪刚体仿真模型。结合足-地作用力学模型,建立了六足机器人-地...
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 六足移动机器人发展综述
1.2.1 国外六足移动机器人发展综述
1.2.2 国内六足移动机器人发展综述
1.3 机器人动力学仿真技术发展现状综述
1.4 六足机器人动力学模型及控制的发展现状综述
1.4.1 机器人足-地作用力学的发展现状综述
1.4.2 机器人关节摩擦模型的发展现状综述
1.5 国内外发展现状分析及存在的主要问题
1.6 课题来源及主要研究内容
第2章 机器人足-地作用与关节驱动动力学研究
2.1 引言
2.2 机器人足-地作用力学模型研究
2.2.1 动态接触条件下法向足-地力学模型研究
2.2.2 动态接触条件下切向足-地力学模型研究
2.3 六足机器人关节逆动力学建模
2.3.1 六足机器人样机结构
2.3.2 一般机器人关节模型
2.3.3 考虑反驱特性的二级减速关节逆动力学建模
2.4 六足机器人关节模型参数辨识
2.4.1 与位置相关参数的辨识
2.4.2 与负载相关参数的辨识
2.4.3 与速度相关参数的辨识
2.4.4 与速度-负载相关参数的辨识
2.5 关节逆动力学模型分析及实验验证
2.6 本章小结
第3章 基于旋量理论与柔度分析的六足机器人运动学与动力学建模
3.1 引言
3.2 旋量理论简介
3.2.1 旋量的表示
3.2.2 旋量的指数映射
3.2.3 雅克比矩阵及其导数形式
3.3 考虑柔性的六足机器人运动学建模方法
3.3.1 基于旋量理论的一般六足机器人运动学建模
3.3.2 考虑腿部柔性的六足机器人运动学建模
3.3.3 考虑机体柔性的六足机器人运动学建模
3.4 考虑足-地作用的六足机器人动力学建模方法
3.4.1 六足机器人整体静柔度建模与变形研究
3.4.2 地面柔度建模与六足机器人静平衡状态分析
3.4.3 基于凯恩方程的六足机器人动力学建模
3.5 六足机器人运动学与动力学建模方法的实现
3.5.1 广义坐标系与柔度矩阵建立
3.5.2 运动学模型参数确定
3.5.3 动力学建模
3.6 本章小结
第4章 基于模型的六足机器人运动控制研究
4.1 引言
4.2 六足机器人运动规划
4.2.1 六足机器人机身运动规划
4.2.2 六足机器人足端轨迹规划
4.3 考虑打滑的六足机器人移动控制方法
4.3.1 基于柔度辨识的足端运动状态分析与判定
4.3.2 六足机器人足端打滑预防与抑制方法
4.3.3 六足机器人足端打滑预防与抑制方程的求解
4.4 基于模型的六足机器人关节运动控制
4.4.1 基于柔度分析的机器人运动误差映射
4.4.2 机器人动力学模型解耦
4.4.3 六足机器人关节轨迹追踪控制
4.5 本章小结
第5章 六足机器人动力学仿真实现与实验验证
5.1 引言
5.2 六足机器人数值仿真研究
5.2.1 数值仿真的总体结构设计
5.2.2 足-地作用力学求解的实现方法
5.2.3 基于MATLAB的仿真实现
5.3 基于Vortex动力学引擎的可视化仿真研究
5.3.1 可视化仿真的总体结构设计
5.3.2 仿真实现与仿真效率测试
5.4 基于Euro-Sim实时仿真框架的半实物仿真研究
5.4.1 系统软硬件架构设计
5.4.2 系统实现与实时性测试
5.5 仿真模型的实验验证
5.5.1 足-地作用力学模型与可视化仿真的实验验证
5.5.2 动力学模型与数值仿真的实验验证
5.5.3 崎岖地形下的实验验证
5.6 控制算法的仿真验证
5.6.1 算法轨迹跟踪能力的仿真验证验证
5.6.2 打滑抑制控制算法验证
5.7 本章小结
结论
参考文献
附录A 可视化仿真系统保真度
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
本文编号：3956479
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 六足移动机器人发展综述
1.2.1 国外六足移动机器人发展综述
1.2.2 国内六足移动机器人发展综述
1.3 机器人动力学仿真技术发展现状综述
1.4 六足机器人动力学模型及控制的发展现状综述
1.4.1 机器人足-地作用力学的发展现状综述
1.4.2 机器人关节摩擦模型的发展现状综述
1.5 国内外发展现状分析及存在的主要问题
1.6 课题来源及主要研究内容
第2章 机器人足-地作用与关节驱动动力学研究
2.1 引言
2.2 机器人足-地作用力学模型研究
2.2.1 动态接触条件下法向足-地力学模型研究
2.2.2 动态接触条件下切向足-地力学模型研究
2.3 六足机器人关节逆动力学建模
2.3.1 六足机器人样机结构
2.3.2 一般机器人关节模型
2.3.3 考虑反驱特性的二级减速关节逆动力学建模
2.4 六足机器人关节模型参数辨识
2.4.1 与位置相关参数的辨识
2.4.2 与负载相关参数的辨识
2.4.3 与速度相关参数的辨识
2.4.4 与速度-负载相关参数的辨识
2.5 关节逆动力学模型分析及实验验证
2.6 本章小结
第3章 基于旋量理论与柔度分析的六足机器人运动学与动力学建模
3.1 引言
3.2 旋量理论简介
3.2.1 旋量的表示
3.2.2 旋量的指数映射
3.2.3 雅克比矩阵及其导数形式
3.3 考虑柔性的六足机器人运动学建模方法
3.3.1 基于旋量理论的一般六足机器人运动学建模
3.3.2 考虑腿部柔性的六足机器人运动学建模
3.3.3 考虑机体柔性的六足机器人运动学建模
3.4 考虑足-地作用的六足机器人动力学建模方法
3.4.1 六足机器人整体静柔度建模与变形研究
3.4.2 地面柔度建模与六足机器人静平衡状态分析
3.4.3 基于凯恩方程的六足机器人动力学建模
3.5 六足机器人运动学与动力学建模方法的实现
3.5.1 广义坐标系与柔度矩阵建立
3.5.2 运动学模型参数确定
3.5.3 动力学建模
3.6 本章小结
第4章 基于模型的六足机器人运动控制研究
4.1 引言
4.2 六足机器人运动规划
4.2.1 六足机器人机身运动规划
4.2.2 六足机器人足端轨迹规划
4.3 考虑打滑的六足机器人移动控制方法
4.3.1 基于柔度辨识的足端运动状态分析与判定
4.3.2 六足机器人足端打滑预防与抑制方法
4.3.3 六足机器人足端打滑预防与抑制方程的求解
4.4 基于模型的六足机器人关节运动控制
4.4.1 基于柔度分析的机器人运动误差映射
4.4.2 机器人动力学模型解耦
4.4.3 六足机器人关节轨迹追踪控制
4.5 本章小结
第5章 六足机器人动力学仿真实现与实验验证
5.1 引言
5.2 六足机器人数值仿真研究
5.2.1 数值仿真的总体结构设计
5.2.2 足-地作用力学求解的实现方法
5.2.3 基于MATLAB的仿真实现
5.3 基于Vortex动力学引擎的可视化仿真研究
5.3.1 可视化仿真的总体结构设计
5.3.2 仿真实现与仿真效率测试
5.4 基于Euro-Sim实时仿真框架的半实物仿真研究
5.4.1 系统软硬件架构设计
5.4.2 系统实现与实时性测试
5.5 仿真模型的实验验证
5.5.1 足-地作用力学模型与可视化仿真的实验验证
5.5.2 动力学模型与数值仿真的实验验证
5.5.3 崎岖地形下的实验验证
5.6 控制算法的仿真验证
5.6.1 算法轨迹跟踪能力的仿真验证验证
5.6.2 打滑抑制控制算法验证
5.7 本章小结
结论
参考文献
附录A 可视化仿真系统保真度
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
本文编号：3956479
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