2024年 01期

基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

Forward and Reverse Dynamics Analyses on Four-bar Linkage Leg Mechanism of Legged Robots Based on Transfer Matrix Method

摘要(Abstract):

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性,利用向量代数方法,对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析;根据有限元形函数理论,建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法;在几何运动学分析的基础上,基于力矩平衡原理,分别进行正向与逆向动力学分析;利用线性变换原理并结合传递矩阵法,建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型,并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型,进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明,所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。

关键词(KeyWords): 足式机器人;腿部机构;动力学分析;传递矩阵法;

基金项目(Foundation): 国家自然科学基金项目(62073191); 山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY020317); 山东省自然科学基金项目(ZR2020ME140);

作者(Author): 赵鑫宇,宋延松,朱晓蕙,刚宪约,柴汇

DOI: 10.13349/j.cnki.jdxbn.20231223.001

参考文献(References):

[1] FOCCHI M, PUCCI D, PRETE A D. Editorial: bridging the gap between the lab and the real world: future perspectives for legged robots[J]. Frontiers in Robotics and AI, 2020, 7: 629002.

[2] 崔敏其. SCARA机器人的拉格朗日动力学建模[J]. 机械设计与制造, 2013(12): 76.

[3] 刘芳华, 马凡凡, 孙威. 三自由度并联机器人运动学和动力学建模与仿真[J]. 机床与液压, 2020, 48(23): 23.

[4] 张铁, 梁骁翃, 覃彬彬, 等. 基于牛顿欧拉法的SCARA机器人动力学参数辨识[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2017, 45(10): 129.

[5] WU Y, YANG Z, FU Z, et al. Kinematics and dynamics analysis of a novel five-degrees-of-freedom hybrid robot[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2017, 14(3): 12.

[6] 王超, 张文辉, 江洁, 等. 基于Matlab/Adams的工业焊接机器人运动学分析与控制联合仿真[J]. 中国工程机械学报, 2020, 18(6): 504.

[7] LUAN Y Z, GUO J M, LIU H Y. Structural dynamics simulation analysis of industrial robot arm based on Kane method[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021, 1871(1) : 012155.

[8] AMARE Z, ZI B, QIAN S, et al. Dynamic analysis of electrohydraulic cable-driven parallel robots[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2019, 233(10): 3400.

[9] 王勖成, 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M]. 第2版. 北京: 清华大学出版社, 1997.

[10] 曾攀. 有限元分析及应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 144-147.

[11] CHEN G, YUAN J. Nonlinear dynamics analysis of shift manipulator for robot driver considering multiple revolute clearance joints and variable load[J]. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2020, 49(4): 596.