串并混联四足仿生机器人动力学建模与分析.PDF

２０１９年 ４月 农 业 机 械 学 报 第 ５０卷 第 ４期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１９．０４．０４６ 串并混联四足仿生机器人动力学建模与分析 １，２ １ ２ ２ 王晓磊 　金振林 　李晓丹 　刘　祥 （１．燕山大学机械工程学院，秦皇岛 ０６６００４；２．辽宁工业大学机械工程与自动化学院，锦州 １２１００１） 摘要：对一种可快速行走、承载能力大及侧向解耦较好的串并混联四足仿生机器人进行动力学建模与分析。阐述 了腿部机构的布局，进行了运动学分析，建立了具有显式的线速度雅可比矩阵，并推导了各构件的速度与末端线速 度的显式表达式。采用 Ｌａｇｒａｎｇｅ方程建立了显式的腿部机构动力学方程，推导了腿部机构的逆动力学方程。通过 实例对腿部机构的逆动力学方程进行验证，分析了步长对驱动液压缸最大输出力的影响规律；依据逆动力学方程 建立了仿生机器人的移动能耗性能指标，并对仿生机器人的移动能耗进行了分析。实例与分析表明，动力学方程 理论推导正确；在腿部足端着地的瞬间各驱动液压缸产生最大输出力，与抬腿高度无关；在直线行走和侧向行走 时，随着步长的增加，液压缸输出力单调增大；在腿部机构侧向行走时，３个驱动缸中侧摆缸输出力最大。 关键词：串并混联机械腿；动力学分析；能耗性能指标；四足仿生机器人；Ｌａｇｒａｎｇｅ方程 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１９）０４０４０１１２ ＤｙｎａｍｉｃＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｅｒｉａｌｐａｒａｌｌｅｌＨｙｂｒｉｄ ＱｕａｄｒｕｐｅｄＢｉｏｎｉｃＲｏｂｏｔ １，２ １ ２ ２ ＷＡＮＧＸｉａｏｌｅｉ　ＪＩＮＺｈｅｎｌｉｎ　ＬＩＸｉａｏｄａｎ　ＬＩＵＸｉａｎｇ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ０６６００４，Ｃｈｉｎａ ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ１２１００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｗｈｉｃｈｈａｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙ，ｆａｓｔｗａｌｋｉｎｇａｎｄｇｏｏｄｌａｔｅｒａｌｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｌｅｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｔｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔｌｉｎｅａｒｖｅｌｏｃｉｔｙＪａｃｏｂｉ ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓｏｆｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｅｒｍｉｎａｌｌｉｎｅａｒｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗｅｒｅｄｅｒｉｖｅｄ，ｗｈｉｃｈｌａｉｄａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔｄｙｎａｍｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｌｅｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇＬａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｌｅｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｅｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙａｎｅｘａｍｐｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｓｙｎｃ