月面四足移动机器人系统力学建模及轨迹规划

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深空探测设备在太空及地外天体环境中的运动能力制约着深空探测任务的进一步执行。行星探测器以轮式探测工具为主,在面对非结构化地形时表现的机动性能较差,相比之下,足式机器人具有较大的发展潜力及空间。目前,美国、德国等国家的相关研究机构已经研制出了行星探测足式机器人,但大都采用静步态行走方式,虽然保证了机器人的运动稳定性,却降低了机器人的灵活性,间接的限制了机器人的探测范围。若能够合理地规划足式探测器的运动过程,采用动步态行走,可大大提升足式探测器的探测范围和执行探测任务的效率。足式机器人的轨迹规划问题是关于如何在满足机器人动力学方程等物理约束条件的情况下生成足式机器人运动的问题,是足式机器人领域内的研究热点,不少研究人员提出了各自的轨迹规划方法,这些规划方法大都针对足-地相互作用模型为刚性接触模型的足式机器人,一般不适用于在松软地面环境中执行探测任务的星球探测足式机器人。因此,本文以月面四足移动机器人系统为研究对象,提出了一种考虑于足-地相互作用力学特性的机器人轨迹规划方法,为后续月面足式机器人在月表复杂环境下实现动态运动提供支持。针对月球表面松软易变形的特点,建立了月面四足机器人的运动学模型。描述了机器人机体位姿及速度,并对机器人腿部进行了位置分析和速度分析。明确了沉陷滑移等足-地相对运动、腿部关节运动和机器人机体运动之间的关系,建立了机器人足端位置与机器人机体及关节角度之间的雅克比矩阵。建立了月面四足机器人多体系统动力学模型、足-地相互作用力学模型和关节力学模型。搭建了月面四足机器人动力学仿真系统,在给定机器人初始时刻状态以及控制变量时间历程的条件下,实现了月面四足机器人状态轨迹的求解,为月面四足机器人轨迹规划方法的验证提供了基础。分析了月面四足机器人的动态运动过程,提取了月面四足机器人在运动过程中受到的物理约束以及轨迹最优性评价指标,并基于多区间Gauss伪谱法将月面四足机器人的轨迹规划问题转化为一个非线性优化问题,最后运用序列二次规划方法进行求解。借助仿真系统对轨迹规划结果进行了仿真验证,给出了不同前进速度以及不同足-地接触刚度情况下月面四足机器人的运动过程。
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