四足仿生机械仿真研究以及动力学分析

论文摘要

四足仿生机械有很强的环境适应性和运动灵活性,应用广泛。但是目前研制四足仿生机械速度慢、载荷能力低、稳定性差等特点制约着其发展。为了提供四足仿生机械能高速稳定地运动,本文主要对四足仿生机械进行仿真和动力学分析,从而将其研发成为动作更灵活、更稳定,速度更快的高性能旅游用机器人。论文的主要内容有:(1)、建立了四足仿生机械的后足系统模型的数学模型,然后对该模型进行运动学分析,主要讨论模型中的足端、杆件和铰链的运动性能。同时还研究模型的奇异构型、自由度和冗余约束等进一步的运动学性能。(2)、对于数学模型中的的多刚体系统动力学方程组(DAE),常用的解法有:直接法、违约稳定法、广义坐标分块法、奇异值分解法。本文分别详细介绍各解法的原理、推导过程,并通过本论文的模型对它们作算法性能比较分析。(3)、利用广义坐标分块法,对后足系统数学模型进行仿真和动力学分析,研究了该模型的约束力和能耗分析等动力性能。运用Adams机械系统仿真软件,对四足仿生机械的整体模型在不同情况下的着地仿真和碰撞动力学分析。课题结果表明:对DAE方程常用的四种算法进行算法性能比较,发现广义坐标分块法违约小,求解结果准确,适用于四足仿生机械系统或类似仿生机械的多体系统。各足部件中旋转铰二和旋转铰五为最主要的两个受力旋转铰,是四足仿生机械模型传递冲击和能量的关键铰链,本课题研究的新颖之处是DAE方程算法分析、四足仿生机械数学模型及其动力学性能分析。研究结果对改善模型运动性能、稳定性、灵活性具有重要的意义,为四足仿生机械的进一步研发工作拓新的思路和方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 仿生机械学的历史沿革
• 1.3 多刚体动力学
• 1.4 虚拟样机技术与多体系统动力学
• 1.5 课题的提出及论文主要内容
• 第二章 仿生模型的简化和数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 仿生机械的结构分析和简化
• 2.3 系统运动学方程的建立
• 2.4 动力学方程的建立
• 2.5 系统数学模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 后足系统运动学分析
• 3.1 引言
• 3.2 运动学分析基础
• 3.3 后足系统运动性能的数值分析
• 3.4 机构的奇异构型的数值判断
• 3.5 系统冗余约束判断与删除
• 3.6 本章小结
• 第四章 动力学方程组数值分析方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 直接法和违约稳定法
• 4.3 广义坐标分块法缩并法
• 4.4 奇异值分解缩并法
• 4.5 四种算法的性能比较和分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 后足系统动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 动力学逆问题与约束力
• 5.3 动力学正问题分析
• 5.4 能耗分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 四足仿生机械着地碰撞仿真及结果学分析
• 6.1 引言
• 6.2 Adams软件简介和总模型建立
• 6.3 模型分析
• 6.4 施加载荷
• 6.5 自由度分析和冗余约束分析
• 6.6 着地碰撞仿真结果以及分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 研究成果
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢