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非惯性系下鳗鱼机器人动力学建模与仿真

张安翻 李斌 王明辉 常建

张安翻, 李斌, 王明辉, 常建. 非惯性系下鳗鱼机器人动力学建模与仿真[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(1): 15-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180100
引用本文: 张安翻, 李斌, 王明辉, 常建. 非惯性系下鳗鱼机器人动力学建模与仿真[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(1): 15-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180100
Zhang Anfan, Li Bin, Wang Minghui, Chang Jian. Modeling and Simulation of Eel Robots in Non-inertial Frame[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(1): 15-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180100
Citation: Zhang Anfan, Li Bin, Wang Minghui, Chang Jian. Modeling and Simulation of Eel Robots in Non-inertial Frame[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(1): 15-22. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180100

非惯性系下鳗鱼机器人动力学建模与仿真

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180100
基金项目: 

国家自然科学基金项目 61333016

详细信息
    作者简介:

    张安翻(1989-), 博士研究生, 研究方向为机器人控制、动力学建模, zhanganfan@sia.cn

  • 中图分类号: TG156

Modeling and Simulation of Eel Robots in Non-inertial Frame

  • 摘要: 在惯性系下得到的鳗鱼机器人的动力学方程由于耦合度高、非线性强而不利于控制器的设计。本文受自主水下航行器(AUV)基于体坐标系的模型表示法的启发,定义了一个与鳗鱼机器人运动方向一致的非惯性系。在该非惯性系下,利用科里奥利定理获得鳗鱼机器人的二维运动学模型,并利用改进的牛顿第二定律和力矩平衡原理获得水下二维鳗鱼机器人在非惯性系下的动力学模型。该模型是解析的,可直接获得切向速度子动力学,更适合于基于模型的现代控制方案,与精确模型相比,其通过方向角参数解耦实现了模型的简化。最后,对一个9模块的机器人系统进行了数值仿真,并与已有的精确模型进行了对比分析,发现所建立简化模型和精确模型的几乎重合,从而验证了所建立简化模型的准确性。
  • 图  1  n模块水下鳗鱼机器人及其运动学参数

    图  2  水下鳗鱼机器人的方向角

    图  3  鳗鱼机器人在世界坐标系下的质心轨迹

    图  4  水下鳗鱼机器人在x方向的质心速度分量

    图  5  鳗鱼机器人质心在y方向的速度分量

    图  6  水下鳗鱼机器人的关节力矩

    图  7  水下鳗鱼机器人第一个关节的关节力矩

    表  1  数学符号定义

    变量 含义
    n 模块数
    l 单模块长度的一半
    m 单位模块的质量
    机器人的方向角
    J=ml2/3 每个模块的转动惯量
    ϕ=[ϕ1, …, ϕn]T 关节角向量
    θ=[θ1, …, θn]T 关于世界坐标系下的绝对角向量
    Φ=[Φ1, …, Φn]T 关于非惯性系t-n的绝对角向量
    (px, py)∈R2 质心在全局坐标系下表示
    (pt, pn)∈R2 质心在非惯性系t-n下表示
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  • 收稿日期:  2017-09-30
  • 刊出日期:  2019-01-05

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