【《某四足机器人运动学仿真案例分析》2000字】

某四足机器人运动学仿真案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u13185某四足机器人运动学仿真案例分析 177171.1引言 1122271.2足端轨迹规划 171621.3机身轨迹规划 2294531.4绘制轨迹曲线 3240301.5Solidworks三维建模 5引言将计算机、仿真和制造三门先进技术融为一体，产生了一门新的科学技术，名为“仿真技术”。该技术是近年来发展最为迅速，应用范围最为广泛的一门新型科学技术。研究人员可以运用这项技术，在计算机上建模、运动学分析、动力学分析以及步态规划的一系列科研环节，甚至可以通过参数的设定模拟在真实工作环境下的研究对象的状态，分析仿真结果，在样机实验过程中具有极高的参考价值。运用仿真技术能够大幅减少科研成本，缩短设计研究时间，是未来网络化科研必不可少的实验环节。本章通过相关软件建立四足机器人的三维模型，测绘出其足端工作空间，合理规划出足端的运动轨迹，同时合理设定出足端参考点在空间运动和时间上的对应关系，利用Solidworks软件将相关数据设定好，生成四足机器人对角行走步态下的行走动画。足端轨迹规划本课题研究的四足机器人需要满足高动态运动性能，对于环境变化具有一定的适应能力以及较强的承载运输性能三个工作性能要求，充分利用正弦函数各阶导数无突变的特性，本节采用复合摆线轨迹规划方法来进行足端步态轨迹的设计，以地面为固定坐标系O-XYZ，假设机架与地面之间无相对运动，以足端刚开始迈步时的位置作为原点，建立O-XYZ坐标系。由于步态行走过程中无腿部侧摆的动作，故在迈步过程中足端参考点在Y轴上的坐标值不变：x式中E——机器人相对步态；T0——摆动周期，T0=(1−β)T;H——摆腿高度。将式5-1对时间t求导得足端速度表达式：x将式5-2对时间求导得足端加速度表达式：xt观察式5-2可以看出，在迈步起始时刻t=0和落地时刻t=T0，足端在x,z方向上速度为零，同时在t=T0/2时，足端达到最高点时，Z方向速度也为零。符合四足动物实际运动中足端的运动规律。在迈步过程中保证了速度的连续性，使其腿部运动平滑，避免了机器人腿部与地面接触时产生冲击，提高了运动的稳定性。通过式5-3可知，二阶加速度变化连续，减少了电机的冲击变化，降低了对电机的性能要求，提高了电机的使用寿命。综上分析，该足端轨迹表达式是一种符合实际要求，可靠性高，可行性强的足端轨迹表达式。机身轨迹规划根据式5-2，可以得出机身的前进速度为x1t绘制轨迹曲线通过运用Matlab软件，消除自变量t，以x为横坐标，y为纵坐标，拟合出腿部足端的运动轨迹。根据上述对于步态距离λ=300mm，抬腿高度为90mm，运动周期T=0.5s，即四足机器人前进速度为1.2m/s，4.32km/h。按照式（5-1），可以得到足端在x方向和z方向的位移曲线如下图5-1、图5-2所示。图5-1为足端在x方向的位移，在一个周期内摆腿过程中位移逐渐增大，支撑过程中位移逐渐减小，一周期之后恢复到位移为零的位置；图5-2足端在z方向的位移，摆腿过程中先增大，后减小，在支撑过程中保持位移不变，以这样的足端运动规律，实现动平衡对角步态行走。从图5-3中可以看出对角小跑步态下足端水平方向相对地面的位移为300mm，竖直方向相对于地面得位移为90mm，可知步态曲线满足步态要求；在轨迹中间部分水平移动，对角步态运动时抬腿高度适中，符合动平衡对角步态中的运动要求。从图5-3可以看出，足端轨迹曲线符合预期要求。图5-1x方向位移图5-2z方向位移图5-3步态轨迹曲线根据式5-2，运用Matlab软件对足端沿x，z方向的速度图像进行了绘制。如图5-4，根据图像可以看出在足端在迈步过程中，x方向的速度具有连续性，其腿部运动平滑，避免了机器人腿部与地面接触时产生冲击，提高了运动的稳定性。在图5-5中看到，在z方向上，足端从离开地面至抬腿最大高度再到接触地面过程中，速度变化连续，且无突变，符合运动要求。根据式5-3，同样运用Matlab软件对足端沿x，z方向的加速度图像进行了绘制。足端加速度的变化响应取决于关节伺服电机的性能。通过对图5-6，图5-7的分析，由于足端x，z方向的加速度均以正弦函数变化，避免了加速度突变的现象，减少了电机的冲击变化，降低了对电机的性能要求，提高了电机的使用寿命。综上所述，该足端轨迹满足符合实际要求，可靠性高，可行性强的要求。图5-4x方向速度图5-5z方向速度图5-6x方向加速度图5-7z方向加速度Solidworks三维建模根据第二章的设计尺寸，分别在Solidworks软件中完成了腿部机械零部件设计以及机身和机架的三维设计，利用Solidworks运动算例中的Motion