单足机器人垂直跳跃动态特性研究

单足机器人一个跳跃周期经历触地相和腾空相两种约束状态,针对机器人触地相落地碰撞、缓冲、起跳,腾空相起跳冲击和伺服定位各过程,综合应用动力学、热力学、流体力学、碰撞和控制理论等建立了机器人一个跳跃周期的综合数学模型.在Matlab上建立了机器人一个跳跃周期的联合仿真模型,对影响单足机器人落地碰撞、起跳冲击和跳跃高度的主要因素进行了仿真研究,得出了实现机器人增高跳跃、减高跳跃和等高跳跃时各影响因素的取值范围和较佳值,包括机器人落地时刻气缸下腔气压预设值和活塞相对坐标预设值,起跳过程气缸充排气转换相对坐标等因素影响跳跃高度、落地碰撞和起跳冲击的规律性认识.搭建了单足机器人垂直跳跃实验台,针对各主要影响因素对机器人跳跃过程的影响规律进行了实验研究,实验结果与仿真数据吻合良好.     

星面探测仿生间歇式跳跃机器人设计及实现

设计了一种面向行星表面探测的小型间歇式仿生跳跃机器人.利用机构学中变胞思想及齿轮-连杆闭链机构的力转换特性,提出了一种杆长可控的非对称齿轮-六杆仿袋鼠跳跃机构,对其间歇式跳跃过程进行了分析,并针对跳跃能力和起跳躯干姿态平稳性进行了机构构型与尺寸优化设计.基于优化设计结果,进行了跳跃机器人运动仿真分析和样机试验.结果表明,该仿生跳跃机器人具有非线性递增的弹跳动力、平稳的起跳姿态以及较高的能量利用效率,可通过太阳能供电、单一微小电机驱动实现间歇式跳跃运动.     

可跳跃式移动机器人机构设计及实现

构建了一个具有跳跃能力的移动式机器人．机器人在较平坦地形下采用轮式移动方式前行；遇到障碍物或沟渠时，可以进行跳跃，从而扩大运动范围．介绍了机器人机械系统的总体结构，给出了机器人的本体结构及起跳姿态，并分析了机器人的运动过程．然后，详细分析了机器人的跳跃机构、跳跃参数调节机构、倾覆翻转机构等关键机构的工作原理，给出了机构设计方案．最后，根据总体设计要求选定了机器人的一些关键参数．     

星面探测仿生弹跳机器人设计、仿真及实验

基于袋鼠的跳跃运动机理和齿轮—五杆组合机构,设计了一种用于星面探测的小型间歇式弹跳机器 人．提出了仿袋鼠结构、运动形态及产生非线性弹跳动力的闭链机构的弹跳模型．采用D-H 法建立了机器人运动方 程,并对其跳跃运动步态、仿生运动特性和弹跳效率进行了分析,给出了该机器人设计的整体结构．运用ADAMS 软件对机器人进行动力学建模与全过程运动仿真,验证了该闭链仿生弹跳机构及其运动的有效性,较大幅度提高了 弹跳机构对能量的利用率,其效率可达70%,避免了弹跳机器人提前起跳．最后设计制作了弹跳机器人原理样机, 并进行跳跃试验．试验结果表明：样机试验与仿真结果基本是一致的;1.4 kg 的弹跳机器人跳远度为813 mm,跳高 度为471 mm,从而解决了利用微小电机驱动机器人实现弹跳运动的问题．     

“袋鼠”跳跃机器人动力系统方案设计与研究

提出了“袋鼠”机器人电液驱动动力系统设计方案,包括跳跃机构、动力系统和控制系统的设 计．从理论上分析了方案的可行性;运用二阶拉格朗日方程给出了“袋鼠”机器人模型起跳阶段的动力学方 程,并通过仿真分析得到了起跳阶段加载动力与速度的关系,为“袋鼠”机器人动力配置提供了依据．最后给 出了实验结果,以证实该设计方案的有效性．     

足式机器人SLIP模型向上跳跃台阶的运动控制

由于存在地势起伏,台阶对足式机器人运动稳定性会带来较大挑战.弹簧负载倒立摆模型(SLIP)作为研究足式机器人的优良模板,能否完成向上跳跃台阶的动作与其腿部摆角,起跳位置和跳跃高度都有密切的关系.由于调整模型腿部摆角规律容易引发运动失效,故本文在算法中引入虚拟弹簧腿,根据虚拟弹簧腿的运行规律确定合理起跳位置,根据起跳位置来控制系统跳跃高度进而完成跳跃台阶的动作.最后利用仿真软件进行多组仿真,结果表明本文算法对起跳区间划分合理,对起跳高度控制精准,能够实现SLIP模型跳跃台阶前后的稳定运动.     

仿蛙跳跃机器人起跳任务规划与控制

研究跳跃机器人起跑规划问题,针对仿蛙跳跃机器人在起跳过程中脚掌与地面之间形成的欠驱动约束和特定的起跳任务,为提高系统性能,提出了一种在任务空间内实现给定起跳任务要求的路径运动规划控制.利用部分反馈线性化(PFL)将仿蛙跳跃机器人系统起跳动力学方程中的非线性部分线性化,设计了滑模变结构控制器对仿蛙跳跃机器人在起跳阶段的质心轨迹进行跟踪控制.结果表明滑模控制器能够使质心轨迹精确地跟踪给定轨迹,解决了仿蛙跳跃机器人的起跳任务优化控制问题,验证了提出的任务空间控制方法用于仿蛙跳跃机器人起跳任务规划的可行性.     

基于弹簧—质量模型的仿袋鼠跳跃机器人步态稳定性研究

根据袋鼠跳跃运动的特点，建立了仿袋鼠机器人的弹簧—质量模型．采用拉格朗日法通过线性化近似分析建立了其动力学方程，并对其进行了着地阶段径向与横向运动分析．根据步态运动稳定性的条件，研究了仿袋鼠跳跃机器人顶点反射映像函数、固定点的存在性及其稳定性，获得了仿袋鼠机器人在跳跃过程中满足步态稳定性的各个参数的取值范围，以及各参数之间关系的显式表达式．最后，通过实例证明了采用线性化近似分析的有效性，并获得了仿袋鼠机器人稳定跳跃时各参数之间的变化关系．     

考虑脚部柔性的仿袋鼠跳跃机器人运动特性研究

基于对袋鼠结构及跳跃运动特点的研究，设计了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人单腿机构模型，建立了相应机构在着地阶段的运动学和动力学方程．结合实例，用Matlab 6．5计算和仿真了模型在着地阶段各关节转角、柔性脚与地面接触长度、地面支承力和关节力矩随时间的变化规律曲线．结果分析表明：模型跳跃的起跳时间约占着地时间的2/3，当柔性脚与地面接触长度最大时，地面作用力也达到最大；踝关节的输入力矩要大于髋关节的输入力矩．此运动研究为仿袋鼠跳跃机器人的设计以及精确控制提供了理论基础．     

微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术

高爆发性的跳跃是生物亿万年进化演变中赖以生存的关键之一,帮助生物实现在各种非结构化环境下的灵活运动功能.通过对生物跳跃机制的深入理解,微小型跳跃机器人在功能及性能上取得长足进步.本文以生物跳跃运动四个阶段(准备、起跳、腾空和着陆)为主线,剖析了生物的行为原理,介绍了对应的微小型跳跃机器人的动力学特征与技术,归纳了现有研究的挑战,最后讨论了跳跃机器人的未来发展趋势和潜在研究价值.     

Dynamic modeling and control of hopping robot in planar space

The paper presents two-mass inverted pendulum (TMIP) model and its control scheme for hopping robot. Unlike the conventional spring-loaded inverted pendulum (SLIP) model, the proposed TMIP model is able to provide the functions of energy storing and releasing by using a linear actuator. Also it becomes more accurate comparing to the conventional SLIP model by taking the foot mass into consideration. Furthermore how to determine both takeoff angle and velocity for hopping is analytically suggested to accomplish the desired stride and height of hopping robot. The control method for the TMIP model is also presented in the paper. Finally, the effectiveness of the proposed model and control scheme is verified through the simulation.     

面向任务T-Petri网的舰载机出动流程仿真

为明确舰载机的出动过程,以更好地指导舰载机操作,对舰载机出动流程仿真问题进行研究。在分析舰载机出动流程共性以及Petri网优点的基础上设计了一种面向任务的综合T-Petri（Task-Petri）网模型。该模型通过对基本网进行简单扩充便可以动态仿真不同的出动任务,不仅简化了出动流程,而且可以满足舰载机出动任务的多样性建模要求,避免了重复建模的复杂性。利用T-Petri网模型对库兹涅佐夫号航母舰载机出动流程进行仿真试验,并给出了甘特图,比较直观地给出了舰载机出动流程。分析给出了舰载机出动时间计算公式,将其所得的出动时间与通过T-Petri网仿真得出的出动时间进行比较,结果表明所提出的T-Petri网模型用于仿真舰载机出动流程是可行的,且结果比较精确。     

基于模糊Elman网络算法的移动机器人路径规划分析

为了调正移动机器人避障线路,建立了基于模糊Elman网络算法的移动机器人路径规划模型,并应用进行Matlab仿真分析。利用现有障碍物的距离信息来实现机器人步长的实施可控制与调节,防止移动机器人在做出准确避障行为之后因为没有设定合适的步长而导致撞上障碍物,以0.5作为机器人的最初运动步长。仿真结果表明,采用模糊Elman网络可以获得比其它两种方法更优的路径规划效果,同时对障碍物进行高效避让,由此实现最优的路径规划。采用模糊Elman网络来构建得到的路径规划算法能够满足规划任务的要求,同时还能够根据机器人处于不同工作空间中的情况进行灵活调整。     

A Scalable Intelligent Takeoff Controller for a Simulated Running Jointed Leg

Running with jointed legs poses a difficult control problem in robotics. Neural controllers are attractive because they allow the robot to adapt to changing environmental conditions. However, scalability is an issue with many neural controllers. This paper describes the development of a scalable neurofuzzy controller for the takeoff phase of the running stride. Scalability is achieved by selecting a controller whose size does not grow with the dimensionality of the problem. Empirical results show that with proper design the takeoff controller scales from a leg with a single movable link to one with three movable links without a corresponding growth in size and without a loss of accuracy.     

基于移动机器人的无线传感器网络数据收集方法

稀疏无线传感器网络中各传感器节点距离较远,而传统的静态数据收集方法要求各传感器节点直接通信,导致网络延迟时间长,能耗高。针对该问题,提出一种基于移动机器人的无线传感器数据收集方法。该方法首先由静态节点选择与路径最短的移动机器人作为簇头,移动机器人比较一定周期内检测到的邻居节点的平均剩余能量与整个网络传感器节点平均剩余能量,根据比较结果决定其是否移动,若移动则采用范围可控的随机移动策略;当移动机器人移动到新位置时,传感器节点更新路由,选择新的移动机器人作为簇头。仿真结果表明,与传统的静态无线传感器网络数据收集方法相比,基于移动机器人的无线传感器网络数据收集方法大大降低了数据传输延迟和节点能量消耗。     

Issues on Autonomous Agents from a Roboticle Perspective

Autonomous robots, like living systems, must be adaptive in nature if we want them to preserve their integrity while completing their mission. The challenge to survive in their environment is better accomplished if they are open systems, interacting with the environment by exchanging matter, energy, information, and so on. The roboticle framework, presented here forth, is an attempt to model how the autonomous robot control unit works. It borrows from living systems the idea that sensing and acting on the environment can be recognized as a mechanism exchanging energy with the environment in order to maintain an highly organized internal control structure to resist to external applied perturbations. The necessary energy balancing is provided by an autopoietic loop which is fed by the energy entering the robot through its sensor devices and it is dissipated by its effectors for properly acting in the environment. The autopoietic loop is also responsible of the adaptive properties of the robot.     

Effects of turning gait parameters on energy consumption and stability of a six-legged walking robot

Minimization of energy consumption plays a key role in the locomotion of a multi-legged robot used for various purposes. Turning gaits are the most general and important factors for omni-directional walking of a six-legged robot. This paper presents an analysis on energy consumption of a six-legged robot during its turning motion over a flat terrain. An energy consumption model is developed for statically stable wave gaits in order to minimize dissipating energy for optimal feet forces distributions. The effects of gait parameters, namely angular velocity, angular stroke and duty factors are studied on energy consumption, as the six-legged robot walks along a circular path of constant radius with wave gait. The variations of average power consumption and energy consumption per unit weight per unit traveled length with the angular velocity and angular stroke are compared for the turning gaits of a robot with four different duty factors. Computer simulations show that wave gait with a low duty factor is more energy-efficient compared to that with a high duty factor at the highest possible angular velocity. A stability analysis based on normalized energy stability margin is performed for turning motion of the robot with four duty factors for different angular strokes.     

机器人俯仰关节能耗特性分析

以降低架空线移动机器人能耗为目标,从结构设计角度出发提出一种基于平行四边形机构的机器人俯仰关节,由单电机配合柔索驱动。首先,在考虑摩擦因素的情况下进行了关节受力及能耗分析,分别给出本文关节与传统俯仰关节的能耗计算方法。再分别就多单元串联式机器人俯仰运动、以及架空线移动机器人越障运动的能耗特性,进行了本文关节和传统俯仰关...     

基于深度强化学习的双足机器人斜坡步态控制方法

为提高准被动双足机器人斜坡步行稳定性, 本文提出了一种基于深度强化学习的准被动双足机器人步态控制方法. 通过分析准被动双足机器人的混合动力学模型与稳定行走过程, 建立了状态空间、动作空间、episode过程与奖励函数. 在利用基于DDPG改进的Ape-X DPG算法持续学习后, 准被动双足机器人能在较大斜坡范围内实现稳定行走. 仿真实验表明, Ape-X DPG无论是学习能力还是收敛速度均优于基于PER的DDPG. 同时, 相较于能量成型控制, 使用Ape-X DPG的准被动双足机器人步态收敛更迅速、步态收敛域更大, 证明Ape-X DPG可有效提高准被动双足机器人的步行稳定性.     

Multi-body dynamics simulation and gait pattern analysis of a bio-inspired quadruped robot for unstructured terrains using adaptive stroke length

This paper presents the Finite element analysis (FEA), Multi-body dynamics (MBD) simulation and gait pattern analysis of a bio-inspired quadruped robot. A novel power transmission mechanism with varying gear train centre distance has been designed for generating different gait structures to suit unstructured terrain. The adjustable length of the lower link aids in improving the stability of the robot (or) make the robot to travel longer distances within a stipulated time. MBD simulation has been performed using MSC/ADAMS for torque, speed, energy and force analysis. The novel mechanism designed was able to successfully negotiate unstructured obstacles of different heights and these results have been presented in the paper. The results show a direct relationship between stroke length, lift-off distance and gear centre distance. A full scale experimental setup, along with the suitable supporting mechanisms is developed. The experimental analysis has been carried out for measuring the Ground Reaction Force (GRF). The GRF is found to be 45 N on an average, when the robot is walking.