基于Featherstone算法的仿人机器人动力学研究

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机器人作为新时代机电一体化的产物,已经运用于生产的各个领域中,而且,随着机器人技术的日趋成熟,必将给人类带来更大的变化。动力学是机器人技术中最重要的一门学科,而动力学算法极大程度的影响了机器人响应的快速性和准确性。目前,常用的机器人动力学算法有牛顿—欧拉法、拉格朗日法等。  本文介绍的Featherstone法是基于六维空间向量的一种新的动力学算法。六维空间向量是由表达线向量和角向量的两个三维向量结合构成,描述更加方便,简洁。在六维空间里,表示系统运动状况的各个参量也会变的更加简洁。  运用Pro/E建立仿人机器人的三维模型,给出了刚体在六维空间向量中的运动方程,并分析了有约束刚体和多刚体的动力学问题。并定义了六维空间向量中的运动子空间和力子空间,而且对不同的约束有不同的运动子空间和力子空间。通过对刚体系统中各个刚体以及关节的编号和定义可以得出系统的几何模型和关节模型。  将牛顿—欧拉法进行改进,用六维空间向量来代替其中的三维向量,并联合之前的几何模型和关节模型,得出了Featherstone动力学方法。其中,逆动力学算法其实就是两次递推。一次是向外迭代的求得每个刚体的速度和加速度,一次是向内迭代求每个刚体间的相互作用力。正动力学分别可以通过惯量矩阵法和繁殖法来推导得出。另外,将动力学算法编辑为Matlab程序,使得计算更加的方便,高效。  最后,通过对机器人下蹲动作的正动力学和逆动力学计算,验证了Featherstone算法以及编程的正确性。
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