基于D-H法与拉格朗日法的弹吉他机器人步态动力学建模与仿真验证

本文主要探讨了弹吉他机器人步行动力学建模与分析的研究。论文由王俊光、廖启征和郭磊共同完成，其中王俊光专注于机器人技术领域的硕士研究生工作，而廖启征作为资深的机器人学教授担任通信联系人，其邮箱地址为qzliao@bupt.edu.cn，他们均来自北京邮电大学自动化学院。 弹吉他机器人是一种仿人机器人，其设计旨在模仿人类的行走方式，具有重要的实用价值和科研意义。在实现仿人机器人行走的过程中，基于ZMP（Zero-Moment Point）的步态规划起着核心作用，它确保了机器人在移动时保持平衡和稳定性。步态规划的成功依赖于精确的动力学建模，因为这为控制算法提供了基础，使机器人能够准确地预测和响应各种动态行为。 本文首先采用了D-H方法（Denavit-Hartenberg参数法），这是一种经典的方法，用于构建机器人的运动学模型，它能清晰地表示出机器人关节与末端执行器之间的相对位置和旋转关系。通过这种方法，作者构建了一个详尽的机器人模型，描述了其在空间中的运动特性。 接着，作者引入了拉格朗日方法进行动力学建模。拉格朗日力学是经典力学的一个分支，它将系统的运动方程转化为一个包含广义坐标和广义动量的函数，使得复杂的机械系统可以简化处理。通过简化运动学模型，作者能够在理论上分析机器人的动力学行为，包括力和加速度等关键参数。 为了验证动力学模型的准确性，作者在数值模拟软件Adams中对机器人系统进行了动力学仿真。Adams是一款广泛使用的多体动力学仿真工具，能够模拟复杂的物理交互。作者通过仿真计算得出各关节角度、角速度和角加速度的数据，并将这些数据代入动力学模型中，以此求解出左踝关节所需的驱动力矩。 最后，作者将动力学模型的仿真结果与机器人实际运行中左踝关节驱动力矩的数值进行了对比，结果显示两者吻合良好，这强有力地证明了所建立的动力学模型具有很高的精度。这项研究对于理解弹吉他机器人如何通过动力学建模来实现稳定的步态控制，以及优化其行走性能具有重要意义，也为仿人机器人领域的进一步发展奠定了坚实的基础。