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仿壁虎机器人负表面爬行的步态规划及运动仿真

陈建敏  
【摘要】:壁虎的运动能力很强,能够在地面、墙面和负表面(例如天花板)上自由爬行,可以在三维空间灵活运动。通过分析和研究壁虎精巧的结构、运动原理和行为方式,在设计时使仿壁虎机器人具有壁虎的运动特点。仿壁虎机器人是仿生机器人的重要分支和研究热点,具有良好的发展和应用前景。 本文首先介绍了国内外爬壁机器人的研究情况。受壁虎的骨骼结构启发设计了新一代仿壁虎机器人,并且详细介绍机器人的结构,并进行了运动学分析。仿壁虎机器人要实现在墙面甚至天花板爬行,要求它的腿能够协调运动,因此对步态具有更高要求。基于SimMechanics建立仿壁虎机器人的步态规划模型,通过分析其运动特点设定了17个可调的步态参数,它可以规划多种步态。使用步态规划模型规划一组对角和三角步态,仿真实验表明了这种步态规划方法具有便捷性和精确性,为足式机器人的步态生成提供新的途径。同样基于SimMechanics建立仿壁虎机器人的动力学模型,壁虎脚掌具有“范德华力”的干粘附特性,采用变弹性阻尼模型构建粘附力模型,并计算具有各向异性的脚掌粘附力。利用规划的负表面步态进行在天花板的粘附运动仿真,仿真实验表明仿壁虎机器人能按照预定的步态实现在天花板的粘附运动,为将来的天花板爬行实验提供参考数据。对仿壁虎机器人在天花板爬行的稳定性问题进行初步研究,探讨在天花板稳定爬行的条件,并提出静态抗倾系数。结合仿真结果,分析脚掌在运动过程中的受力,发现机器人在天花板爬行时的非稳定性因素主要来自脚掌粘附支撑相和脱附摆动相的交替处。最后基于Quanser半实物仿真平台实现了对仿壁虎机器人的运动控制,并进行在地面和竖直面的爬行实验,验证了步态规划方法的可行性,为负表面运动实验提供参考。


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