13、六足机器人多体逆动力学建模、分析与验证

六足机器人多体逆动力学建模、分析与验证

1. 六足机器人多体逆动力学建模与分析

在六足机器人的研究中，多体逆动力学建模是关键环节。通过建立广义分析耦合多体逆动力学模型，能有效模拟机器人在不同地形上的运动。该模型由刚性多体运动连杆组成，考虑了耦合效应、支撑腿足部的柔性接触冲击和滑动。

• 模型优势 ：此模型能有效处理摆动腿对支撑腿的惯性影响，这是以往研究未充分解决的问题。通过运动学变换算法，将大量的运动学约束方程（114 个三维笛卡尔坐标方程）有效简化为 24 个广义坐标约束方程，提高了计算效率。
• 求解方法 ：采用二次优化函数求解接触动力学模型，考虑冲击和摩擦模型。将二次优化问题表述为最小化关节扭矩平方和，同时满足等式和不等式约束，以实现支撑腿足部力、关节扭矩和能量消耗的有效分配。

通过计算机模拟测试模型性能，发现当腿部从摆动阶段进入支撑阶段，足部与地形碰撞时会产生瞬间冲击力，法向反作用力会突然增大。分析数据和图表还显示了冲击对自身腿部和其他腿部关节扭矩的影响，且每条腿的中间旋转关节在任何时刻承受的扭矩都比其他关节大。

不同运动方式（直线、螃蟹式和转弯）和不同占空比（DF = 1/2、2/3 和 3/4）下的能量消耗和稳定性研究表明，通过适当选择步态（占空比）及其影响参数（如步行速度、身体高度、身体行程、腿部偏移、躯干几何形状和螃蟹角），可以实现机器人的低功耗和高稳定性。具体影响如下表所示：
|参数|对平均功率消耗的影响|对稳定性（NESM 和 DGSM）的影响|
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