5、蛇形机器人运动控制与建模全解析

蛇形机器人运动控制与建模全解析

1. 平坦表面蛇形机器人运动建模

蛇形机器人在平坦表面上的运动建模是深入理解其运动原理的基础。我们运用第一性原理，推导出了具有 N 个连杆的蛇形机器人在水平平坦表面上运动的运动学和动力学数学模型。机器人的连杆受到地面摩擦力的影响，这些摩擦力推动机器人运动。然而，由于机器人具有多个自由度，且连杆之间存在动态耦合，所得到的模型相当复杂。

为了简化模型，我们采用了部分线性化的方法。通过引入坐标变换，将模型划分为驱动部分（蛇形机器人的关节角度）和非驱动部分（蛇形机器人的位置和方向）。接着，通过输入变换，对驱动部分进行线性化。尽管部分线性化后的模型仍然包含复杂项，但这种处理使得基于模型的控制器设计和分析成为可能。

以下是该过程的流程图：

graph LR
    A[建立原始模型] --> B[引入坐标变换]
    B --> C[划分模型为驱动和非驱动部分]
    C --> D[输入变换线性化驱动部分]
    D --> E[得到部分线性化模型]

2. 蛇形机器人 Wheeko 的设计

蛇形机器人 Wheeko 是为在平坦表面上进行运动控制实验而开发的。它由 10 个相同的关节模块组成，每个模块都覆盖有被动轮，以实现平坦表面的移动。每个模块由电池供电，具有两个自由度（俯仰和偏航），由电动伺服电机驱动。Wheeko 的内部结构与另一个蛇形机器人 Kulko 相同。

Wheeko 的主要特点如下：
- 10 个相同关节模块
- 被动轮设计，便于平