• CN:11-2187/TH
  • ISSN:0577-6686

机械工程学报 ›› 2023, Vol. 59 ›› Issue (6): 214-225.doi: 10.3901/JME.2023.06.214

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转动C形腿与沙土作用建模及力学参数辨识

杨传潇1, 胡雄1, 孙士斌1, 顾邦平1, 丁亮2, 唐德威2, 高海波2, 邓宗全2   

  1. 1. 上海海事大学物流工程学院 上海 201306;
    2. 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室 哈尔滨 150001
  • 收稿日期:2022-04-26 修回日期:2022-08-25 出版日期:2023-03-20 发布日期:2023-06-03
  • 通讯作者: 丁亮(通信作者),男,1980年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为星球探测车、野外足式移动机器人、地面力学、智能控制。E-mail:liangding@hit.edu.cn
  • 作者简介:杨传潇,男,1989年出生,博士,讲师。主要研究方向为足式移动机器人力学行为机理、机器人运动规划及仿真、地面力学参数 辨识。E-mail:yangcx@shmtu.edu.cn;胡雄,男,1962年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为大型港口物流装备故障诊断及检测、机械动态性能数字化监测与评估、桥吊门机船舶安全控制与管理。E-mail:huxiong@shmtu.edu.cn;孙士斌,男,1982年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为港航物流装备微纳米功能传感器件、港机表面强化修复。E-mail:sunshibin@shmtu.edu.cn;顾邦平,男,1987年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为残余应力控制与消除技术、振动测试及有限元分析。E-mail:bpgu@shmtu.edu.cn;唐德威,男,1966年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为特种机器人研发、机械结构传动仿真及设计。E-mail:dwtang@hit.edu.cn;高海波,男,1970年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为重载移动装备、足式移动机器人研发、星球车移动机构及控制。E-mail:gaohaibo@hit.edu.cn;邓宗全,男,1956年出生,教授,博士研究生导师。主要研究方向为星球车移动系统、大型空间折展机构构型生成与模块组网、移动机器人平台系统。E-mail:dengzq@hit.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重大研究计划资助项目(91948202)。

Modeling and Mechanical Parameters Identification of Interaction Mechanics between Rotary Robotic C Type Leg and Sandy Terrain

YANG Chuanxiao1, HU Xiong1, SUN Shibin1, GU Bangping1, DING Liang2, TANG Dewei2, GAO Haibo2, DENG Zongquan2   

  1. 1. School of Logistic Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306;
    2. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001
  • Received:2022-04-26 Revised:2022-08-25 Online:2023-03-20 Published:2023-06-03

摘要: 机器人足端与沙土相互作用力学模型的建立和参数辨识,是沙土表面步行移动机器人多模态感知和决策的重要约束条件和物理信息。C形腿构型在沙土表面具有高通过性和适应性,基于地面动力学中的抵抗力学理论,充分考虑C形腿在摆动步态条件下位姿和速度矢量对足地相互作用动态力学的影响,进而建立C形腿与沙土的相互作用力学模型。然后,通过三组宽度条件的C形腿与沙土表面的转动接触力学试验,提取数据并分析水平和竖直接触力随姿态角度的变化规律。然后,通过积分模型的解析推导获得线性表达形式,基于递归最小二乘算法对未知参数矩阵进行逐项推导。最后,基于逐项迭代输入输出矩阵函数,获得参数在已有数据样本容量空间内的辨识结果。与试验结果相比,辨识后的预测竖直力和水平力误差分别为4.05%和4.22%,验证参数辨识的准确性和有效性。辨识的参数能够反映沙土地面的部分物理特征,基准值则反映腿部几何构型对力学模型的影响。

关键词: C形腿, 转动相互作用, 地面动力学, 递归最小二乘法, 参数辨识

Abstract: The establishment of mechanical model and parameter identification of the interaction between robot foot and sand are important constraint conditions and physical information for multi-modal perception and decision-making for legged mobile robot on sandy terrain surface. Since high trafficability and adaptability on sandy terrain surface can be achieved for the C-shaped legged configuration, the influences of positional posture and speed vector to the dynamic foot-terrain interaction mechanics for C-shaped leg under the condition of swing gait based on resistance force theory in terradynamics are fully considered, then a contact mechanics model between the C-shaped foot and sandy soil is established. Through rotational contact mechanics experiments between C-shaped leg and sandy terrain surface under three width group conditions, the data are extracted and variation laws of contact forces in horizontal and vertical direction to different attitude angles are analyzed. Hence, the linear expression is obtained through analytical derivation of the integral model, these unknown parameter matrixes are deduced item by item based on the recursive least square algorithm. Finally, based on the item-by-item matrix function indicating iterative input-output relations, the parameters identification results depending on the existing data sample size space are obtained. Compared with the experimental results, the errors of predicted vertical force and horizontal force generated in identification are 4.05% and 4.22% respectively, which verifies the accuracy and effectiveness of parameter identification. Some physical properties of sandy terrain can be revealed through these identified parameters, and the influences of leg geometrical features on mechanical models can also be indicated by these reference values.

Key words: C type leg, rotary interaction, terradynamics, recursive least square method, parameters identification

中图分类号: