面向多物理特征地形六足机器人足地力学建模及系统仿真

作     者：苏杨 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁亮

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：六足机器人 动态效应 足地力学 多物理特征地形 动力学仿真 

摘      要：野外地形多为陡峭、潮湿、泥泞等复杂地形,六足机器人在沙地、泥土等地形行走时足端易发生沉陷;在湿滑的草地、雪地及冰面上行进时易产生足底打滑现象。六足机器人具有承载能力高、移动稳定性强等优点,采用非连续的支撑方式行走,可以通过崎岖多变的非结构地形,在复杂环境的作业任务中有广阔的应用前景。本文针对六足机器人在野外地形中存在的动态影响因素,开展多物理特征地形动态力学试验并对其动态力学特性进行分析;考虑到动态因素对足地接触力学性质的影响,分别建立面向多物理特征地形的法向动态沉陷力学模型及切向动态滑移力学模型,推导并建立了多物理特征地形统一的动态足-地力学模型;基于统一模型搭建六足机器人仿真平台并完成仿真系统的高保真度验证。通过试验分析力学规律是指导足式机器人力学建模的一种重要途径,为建立精准的足-地作用力学模型,本文面向多物理特征地形开展了力学试验研究;选取大理石、沙地及冰面三种典型野外地形;基于单足静力试验得到准静态条件下力-位移变化规律;考虑足-地接触过程中的动态因素开展单足动态力学试验,分析不同地形的力学特性,为推导多地形统一的动态足地力学建模提供试验基础。在深入分析动态足地力学试验的结果后,建立多物理特征地形统一动态足地力学模型。本文基于接触力学理论建立了硬地/冰面的法向动态足地力学模型,考虑动态沉陷因素建立了变沉陷指数项的足-沙地法向力学模型;考虑动态滑移因素建立了切向动态足地力学模型;分析不同地形间力学模型的相似特征,建立了多物理特征地形统一的动态足-地作用力学模型。在建立多地形统一的足地力学模型基础上,本文完成了六足机器人仿真系统的搭建并对其保真度进行验证。通过编写统一力学模型的迭代算法完成对足-地接触力学的解算;构建多物理特征地形数字高程图完成仿真地形的搭建;基于Vortex可视化仿真软件实现六足机器人动力学仿真系统的建立;通过单足试验与仿真结果对比验证了足地力学模型的准确度。利用六足机器人整机行走的实验仿真结果对比,完成对仿真系统足地力学模块的验证。本文采用试验-建模-仿真的技术路线,开展了六足机器人足地力学高保真仿真研究,为六足机器人系统设计提供了仿真平台,具有一定的工程意义。