考虑弹簧腿的四足机器人动力学分析与仿真

从机器人诞生到今天,机器人技术日益成熟。特别是近几十年来,随着机器人技术的迅猛发展,机器人的适用范围越来越广泛,实际工作中对机器人的要求也日益增多。相比于轮式机器人,足式机器人环境适应性强、运动灵活好,其中四足机器人综合性能在足式机器人中最好,成为了各国科学家争相研究的热点。 本文研究的野外高性能液压驱动四足机器人,具有高动态、高负载能力,腿部结构简单、紧凑等优点。但是刚性腿的机器人在正常行走中机体受到的冲击加速度非常大,可能会对控制系统造成干扰,使机器人难以控制,严重的话甚至可能损坏控制系统。同时,巨大的冲击也会造成腿部关节间隙增大,降低了机器人的控制精度。因此,本文考虑在机器人腿部加装弹簧缓冲装置,以减小机器人机体受到的冲击,保护机器人控制系统,保证其控制精度。 文章首先详细综述了国内外四足机器人的发展和研究现状,然后采用D-H法建立起四足机器人的运动学模型,由坐标变换法得出机器人正、逆运动学方程式,并验证腿部关节角随足底轨迹变化的正确解。通过分析规划出四足机器人Trot步态下的足底路径。为使机器人从站立状态起步,在开始运动时采用半个幅度的步幅将机器人四条腿调整到合适的位置后再进入正常的Trot步态行走,同时用MATLAB模拟出该状态下从站立开始行走时机器人腿以及各关节的轨迹。随后建立了四足机器人的动力学模型,分析并采用拉格朗日法来求解四足机器人的运动学问题,得到了四足机器人的动力学方程组。 机器人结构较为复杂,而在建模分析时完全精确的模型并不必要,因此本文为了降低模型的复杂程度对其进行合理的简化,采用三维造型软件UG建立了四足机器人机体结构,并将模型导入ADMAS建立起正确的虚拟样机模型。接着使用ADAMS对机器人样机进行仿真,通过分析机体的位移及其速度加速度曲线看出刚性腿机器人受到的冲击十分巨大,进而指出加装弹簧缓冲装置的必要性。在虚拟样机上设计安装弹簧缓冲装置并进行仿真分析,对比未加装弹簧缓冲装置时机器人的足底、机体冲击加速度和第一个关节的关节力,证明该装置对减小机体冲击有着显著的效果。为进一步有效发挥弹簧缓冲装置的作用,以弹簧阻尼系数为设计变量将弹簧参数化,分析并选取合适的ADAMS的优化分析方式对弹簧阻尼系数进行了初步优化分析,进一步减小了机体冲击加速度,并解决了机器人循迹性、稳定性变差等问题,有效地保护四足机器人控制系统的稳定性,为后期的机载液压站系统的安装提供良好的环境。