【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及张拉整体机器人动力学建模，具体涉及一种六杆张拉整体机器人动力学模型构建方法。
技术介绍
1、近年来，由于张拉整体机器人具有能耗低、驱动形式简单、强度-质量比高等优良特性，越来越广泛的应用于环境探索、灾后救援等任务。复杂的任务环境对机器人运动灵活性和可控性提出了较高要求，而数据驱动的无模型控制方法虽可驱动张拉整体机器人实现一定的连续滚动，但数据量需求大、鲁棒性弱且不具备泛化能力，因此，基于模型的控制方法就成为了张拉整体运动控制的重点研究对象。
2、现有的张拉整体动力学模型通常以绳索的静止长度作为控制输入，这种处理方式适用于在仿真中进行机器人控制，但在实际中绳索的静止长度是无法直接改变的，导致控制策略无法应用。同时，滚动过程中的环境作用因素未被充分考虑，导致对运动过程中的滑动和碰撞无法精确描述。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种六杆张拉整体机器人动力学模型构建方法，该动力学模型构建方法充分考虑六杆张拉整体机器人在变形及滚动运动中受到的接触力，对环境作用有更精确的描述，并给出了一类绳驱动张拉整体机器人的驱动器力学模型，与六杆张拉整体机器人样机的驱动方式保持一致，从而保证了控制器的可配置能力。
2、本专利技术采用以下具体技术方案：
3、一种六杆张拉整体机器人动力学模型构建方法，六杆张拉整体机器人由6根杆和连接于杆之间的24根弹性绳组成，其特征在于，该动力学模型构建方法包括以下步骤：
4、步骤一，定义六杆张拉整体机器人的杆端
5、步骤二、基于着地面力平衡原理，计算着地点支撑力分布，构建摩擦力模型，引入hertz公式，构建连续接触力模型，摩擦力模型和接触力模型合称为耗散力模型；
6、步骤三、分析绳驱动原理，建立杆端驱动器模型，将驱动器作用下的绳长变化代入步骤一中的势能计算公式，对速度以及动量的一阶微分分别求偏导后，得到驱动力模型；
7、步骤四、以步骤一中的哈密顿方程状态矩阵作为端口哈密顿框架的互联矩阵，步骤二、三中的耗散力模型和驱动力模型分别构成端口哈密顿框架的阻尼矩阵和输入矩阵，得到六杆张拉整体机器人的全自由度欠驱动非线性动力学模型。
8、更进一步地，步骤一具体包括：
9、定义节点坐标矩阵为n(q)＝[n1,……,n12]t，其中ni表示节点i的广义坐标；
10、根据节点与杆、绳的关联性，建立连接矩阵cb∈r12×6、cs∈r12×24，杆矩阵描述为b＝n(q)，绳矩阵描述为s＝n(q)；
11、根据以上定义计算张拉整体机器人的动能和势能，鉴于绳的轻量化性质，只考虑杆的动能；杆动能由平动动能与转动动能构成，杆的质心处的平动速度vi与转动速度ωi为：
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14、定义广义坐标为广义动量为pt＝[p1，…，p12]，其中,i杆的动量由下式计算得到：
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16、上式中，ir＝diag(iθ，iφ，iψ)作为惯性矩阵，mb为杆质量，对于张拉整体机器人杆件，其具体形式为：
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18、惯性矩阵ir的取值只与杆的物理参数有关，将ti(q)定义为i杆的动能，根据动量计算结果，得到ti(q)的计算公式为：
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20、将mi(q)记为i杆的质量矩阵，则
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22、得到张拉整体机器人的总体质量矩阵：
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24、六杆张拉整体机器人总动能为：
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26、六杆张拉整体机器人的势能由杆重力势能ug(q)与绳弹性势能us(q)组成，总势能u(q)＝ug(q)+us(q)；i杆的重力势能由下式计算：
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28、上式中g＝[0，0，9.8]t为重力加速度向量；
29、将sk(q)记为绳矩阵s(q)的第k行，k绳的弹性势能与弹性系数kk、绳长与其静止长度的差值δlk(q)＝||sk(q)||-l0有关，其弹性势能
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31、六杆张拉整体机器人的弹性势能为24根绳的弹性势能之和，其表达式为：
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33、六杆张拉整体机器人的总势能u(q)为：
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35、基于六杆张拉整体机器人的动能与势能表达式，利用分析力学方法建立动力学模型，计算哈密顿量：
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37、代入标准的哈密顿方程：
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39、
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41、将哈密顿量代入上述方程，得到作为机器人系统在无外力作用下的动力学表达式：
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43、更进一步地，步骤二具体包括：
44、定义支撑力矩阵基于静止状态下的力矩平衡原理，给出三点支撑力分布与着地面形状之间的关系：
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46、其中，m为绕翻滚轴的总力矩，基于此力矩平衡方程解得着地点支撑力，根据fs(q)＝kμfn(q)得到作用于着地点所受动摩擦力，其中静摩擦力设置为动摩擦力的1.2倍；
47、为计算机器人翻滚落地过程中受到的接触力，引入接触变形量δ，δ的值取自着地节点向量nc(q)的第三个元素hc，δ的具体取值由下式得到：
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49、引入hertz碰撞模型，v为接触时的初速度，e为描述动能耗散的恢复系数，在球形接触面中，通常取n为1.5，接触力fnc的大小为：
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53、式中hi与杨氏模量e和泊松比vi有关：
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55、更进一步地，步骤三具体包括：
56、绳索被分为杆内与杆外两部分，在势能计算的过程中未考虑杆内绳的势能，对弹性势能的计算方法修正为：
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58、δlk＝||sk||-l0+uk；
59、定义uk为绳k被电机拉动的长度，uk＜0表示放绳，
60、u＝[u1，…，uc]∈rc为输入向量，可以得到系统动力学方程为：
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63、定义a(q)为驱动器与绳之间的关联矩阵，将u从上式提取后得到张拉整体机器人在驱动器作用下的动力学模型：
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66、更进一步地，步骤四具体包括：
67、端口哈密顿系统的形式为：
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69、式中，xt＝[qt，pt]为系统状态，j(x)为互联矩阵，表示系统间的力作用关系，r(x)为阻尼矩阵，表示系统的能量耗散；g＝kka(q)为输入矩阵，根据建立的无外力作用系统动力学模型、耗散力模型以及驱动器模型，最终得到六杆张拉整体机器人的动力学表达式本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种六杆张拉整体机器人动力学模型构建方法，六杆张拉整体机器人由6根杆和连接于杆之间的24根弹性绳组成，其特征在于，该动力学模型构建方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤一具体包括：
3.如权利要求2所述的构建方法，其特征在于，步骤二具体包括：
4.如权利要求3所述的构建方法，其特征在于，步骤三具体包括：
5.如权利要求4所述的构建方法，其特征在于，步骤四具体包括：
【技术特征摘要】
1.一种六杆张拉整体机器人动力学模型构建方法，六杆张拉整体机器人由6根杆和连接于杆之间的24根弹性绳组成，其特征在于，该动力学模型构建方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤一具体包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨庆凯，刘松源，吕京硕，郝思远，方浩，陈杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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