15、多功能卡车变形机械臂的逆动力学研究

多功能卡车变形机械臂的逆动力学研究

1. 引言

全球气候变化在过去几十年里对人类产生了深远影响，极端天气和飓风的影响愈发常见。在这种情况下，配备变形吊杆设备的多功能卡车（也称为吊杆卡车）变得至关重要。它们是应对极端气候和天气状况的首批响应者，可用于砍伐树木以恢复交通、从受损建筑中营救生命、修复电线杆和恢复电力供应。

随着职业安全与健康管理局（OSHA）规定减少使用脚手架和梯子进行高空作业，多功能卡车的使用变得更加普遍。目前，美国约有1500万辆卡车在运营，其中28.2%为多功能卡车。据市场研究，到2027年，全球配备吊杆设备的多功能卡车市场估值预计将达到15亿美元。

然而，大型/吊杆卡车在爬坡或执行任务时，由于其几何形状的变化，可能导致卡车 - 吊杆系统的惯性矩发生剧烈变化，以及车轮之间的重量重新分配，从而使车辆变得不稳定。这种不稳定情况可能对卡车的安全产生严重影响。

为了确保多功能卡车在道路上的安全，需要研究吊杆设备（被视为一个5自由度的机器人操纵器）的逆动力学。本文将介绍一种基于递归牛顿 - 欧拉方法的逆动力学模型，以及一种简单的PD控制方法，用于管理四个车轮的动态法向反作用力。

2. 多功能卡车与机器人操纵器概述

多功能卡车是重型卡车，配备可伸缩的液压杆（吊杆），杆端有一个大桶，用于将工人提升到高处。在本研究中，吊杆设备被视为一个5自由度的铰接式操纵器，并应用机器人领域常用的运动学和动力学建模方法。

2.1 卡车吊杆几何约束

卡车吊杆的几何约束如下表所示：
| 参数 | 工作范围 |
| — | — |
| 转台角度 (θ1) | -15