软体尺蠖爬行机器人建模与仿真分析

摘要

高效计算并整体分析软体尺蠖机器人的运动规律和行进步态是个具有挑战性的难题.在准静态条件下,建立了一个由刚性滑块和曲梁构成的简化力学模型,对该类机器人进行准静态的建模与仿真分析.首先基于欧拉-伯努利梁理论,给出了曲梁的总势能表达式.其次,利用变分原理,由总势能推导出控制方程,联立边界条件,建立了常微分方程组,并对其进行离散化以及无量纲化,给出了用于数值求解的非线性代数方程组.然后,根据曲梁和地面的接触情况以及系统的黏滞与滑移状况,将机器人的整个运动过程分为三个阶段,通过数值计算,得到在不同阶段下曲梁随初始曲率幅值变化的不同构型,描述出软体机器人在一个周期内的运动规律、步态变化和净位移量,解决了软体机器人在不同阶段的运动衔接问题.准静态方法的特点是计算效率较高,更加适用于对软体机器人的运动构型进行分析.