并联腿式六足步行机器人动力学建模与控制研究

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本文以并联腿式六足步行机器人为研究对象,具体包含两条腿、六个足、十二条UPUR腿部支链以及六条辅助支链,每条腿均为6-UPUR+3P并联机构。在运动过程中,机器人迈步平稳且负载能力大,将有助于机器人的应用研究,同时也能为其他不同结构的新型机器人奠定理论基础。首先,进行了并联腿式六足步行机器人结构设计并计算其自由度,建立了机器人的定平台坐标系、动平台坐标系与并联腿支链UPUR铰点的坐标系,推导了定平台坐标系、动平台坐标系的变换矩阵;使用Matlab/Simulink软件搭建了并联腿式六足步行机器人的Sim Mechanics物理模型。其次,运用矢量法进行运动学分析,分析腿部各支链的位移、速度和加速度,为动力学建模、仿真分析等研究工作奠定了基础。以机器人单条腿为研究对象,通过理论公式推导运动学数学模型,并根据六自由度并联机器人的空间几何结构关系,建立了腿部支链的位移、速度和加速度矢量方程,运用Matlab软件进行数值仿真,获得各运动参数相对应的仿真曲线;运用牛顿-欧拉法推导了并联腿式六足步行机器人迈步腿动力学模型,编写了其Matlab程序,获得运动中各腿部支链的驱动力曲线,并与基于Simulink/Sim Mechanics仿真结果进行了对比分析,对基于矢量法所建立的运动学数学模型及牛顿-欧拉法所建立的动力学数学模型进行验证。最后,发挥PID控制和自适应模糊控制技术的优势互补,设计了腿部支链的模糊自适应PID控制器,在Simulink中搭建出模糊自适应PID控制器的仿真模型,验证所设计的模糊自适应PID控制器有效性。对并联腿式六足步行机器人进行“外八字”步态规划,并基于该步态进行试验研究。试验结果表明,并联腿式六足步行机器人的步态规划合理,达到了规划的要求,且采用模糊自适应PID控制器的控制效果明显优于传统PID控制器。
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