自由落猫机器人时间最优下落轨迹研究

机器人在未知复杂环境下作业时,有从高处跌落的风险,所以需要考虑其空中的姿态调整能力,减轻由错误的着陆方式造成的伤害.当猫从高空坠落时,它总能通过自身调整安全落地.受这一生物学现象启发,通过研究猫能够安全落地的第一阶段,姿态调整阶段,首次提出以时间最优方式研究落猫机器人最优下落轨迹问题.首先利用轴对称双刚体模型导出机器人的数学模型,因为角速度不可积,将落猫机器人的姿态控制问题转变成非完整系统的运动规划问题.考虑到姿态调整所消耗的时间是决定调整结果较为重要的因素,随后以虚拟力矩输入取代真实角速度输入,建立时间优化函数,并构造了求解该函数的方法.然后以姿态调整耗时最短为控制目标,通过粒子群优化算法寻找目标最优解.最后运用所得最优解数据,在虚拟物理环境下进行了虚拟样机实验,并实现了落猫机器人的空中翻正动作.结果表明,该方法能有效地缩短自由下落机器人的姿态调整时间.