机器人单足系统沙土跳跃刚-散耦合动力学分析

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题,因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型,从而优化其系统构型.近年来,对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注.本文采用离散元法对颗粒场进行建模,以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模,对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析.基于经典土力学Prandtl-Reissne理论,从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发,对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正,提出了一种修正的Poncelet公式.通过与离散元仿真结果对比,说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力,尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性.最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响,给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式.本研究将拓展刚-散耦合动力学理论,并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.