冗余驱动仿壁虎机器人运动学分析与仿真

研究仿壁虎机器人处于多足吸附支撑状态时,出现冗余驱动问题,机器人驱动难度较大,为协调机器人各关节运动和姿态控制,讨论了一种冗余驱动的仿壁虎四足机器人的自然约束条件,推导了机器人三足吸附状态时冗余驱动变量与独立驱动变量的位置和速度关系,建立了机器人机体正运动学方程,同时建立了机器人的逆运动学方程,用来验证正运动学方程的正确性.机器人正运动学方程是一个高次方程,有16组解,数字仿真结果表明只有一组解满足实际模型要求.逆运动学分析结果及仿真结果验证了正运动学的正确性.     

一种求解冗余机械臂逆运动学的优化方法

基于加权最小范数法,推导出一种避免计算雅可比矩阵伪逆的优化方法.首先对加权雅可比矩阵的6维非奇异子矩阵求逆,得到逆运动学的特解和齐次解.然后用特解减去齐次解沿特解方向的分量得到运动学逆解.通过一个7自由度冗余机械臂的算例和仿真证明了方法在保证求解精度、降低求解难度以及避免关节极限方面的有效性     

改进末端跟随运动的超冗余蛇形臂机器人运动学逆解

针对超冗余蛇形臂机器人运动学逆解中计算量大、超关节极限和位形偏移量大的问题,提出了一种改进末端跟随运动的逆解算法．在末端跟随法中引入蛇形臂弯曲角度的约束,调整关节位置的更新方式,使关节在蛇形臂轴线上运动．通过依次更新关节的空间位置,将超冗余多节蛇形臂的运动学逆解转化为2自由度单节蛇形臂的运动学逆解．仿真分析了蛇形臂机器人在基座移动和基座固定条件下的轨迹跟踪效果,对比了同一目标位置下不同方法的性能．结果表明,改进后的算法能保证蛇形臂的弯曲角度不超过给定范围,关节的运动量从末端到基座依次减小,机器人的运动更协调;与基于雅可比矩阵的数值法和现有启发式方法相比,该方法运算量降低,机器人整体位形偏移量减小,能用于蛇形臂机器人的实时控制．     

面向冗余机器人实时控制的逆运动学求解有效方法

针对7自由度冗余机器人实时运动控制,对机器人逆运动学提出了一种新的求解方法.采用位姿分解方式,使7自由度冗余机器人逆运动学简化为4自由度位置逆运动学求解.在梯度投影法得到位置优化解的基础上,利用机器人封闭解公式求得一组优化解.通过对7自由度机器人仿真分析,表明了该方法的有效性.     

基于虚拟样机技术的四足机器人静态稳定步态规划

针对现有技术文献中广泛使用的多种静态稳定步态中速度稳定性与稳定裕度不可兼得的通病,在随动质心的静态步态基础上,利用参数化坐标变换矩阵方法规划出一种四足机器人前进过程中质心以曲线轨迹移动的静态步态方法,使该步态方法以连续性速度运动的过程中保证一定稳定裕度;通过D-H法求得四足机器人的逆运动学坐标变换矩阵,分别在三维空间中对四足机器人的四组足端轨迹方程进行规划,并带入MATLAB软件后以逆运动学方程计算出关节夹角驱动方程,利用步态规划图求出机器人四条腿各自对应的夹角驱动方程以及机体质心轨迹方程;最后在MSC.ADAMS软件中建立四足机器人虚拟样机并对规划的步态进行虚拟仿真,仿真结果验证了该步态对提升四足机器人对于速度连续性以及稳定裕度的提升。     

面向冗余机器人实时控制的逆运动学求解有效方法

针对-自由度冗余机器人实时运动控制,对机器人逆运动学提出了一种新的求解方法.采用位姿分解方式,使-自由度冗余机器人逆运动学简化为,自由度位置逆运动学求解.在梯度投影法得到位置优化解的基础上,利用机器人封闭解公式求得一组优化解.通过对-自由度机器人仿真分析,表明了该方法的有效性.

     

冗余度机器人的可操作度和有限制条件下的最优轨迹规划

本文以冗余度机器人的逆运动学为基础，引入了扩展雅可比矩阵的概念；给出了便于讨论可操作度的几个重要定理；推导出了一般了发制条件下的癃 运动学最优解与最小范数解的关系。     

基于扩展雅可比矩阵的冗余度机器人多性能准则优化研究

本文基于扩展雅可比矩阵求冗余机器人逆解的算法,提出了将多个附加作业性能函数作归一化处理后,根据优先权的高低进行加权求和,从而利用其冗余性完成多性能准则优化的一种新方法.并且对所研制的七自由度冗余手臂避奇异及避关节极限的的双重性能进行了优化仿真分析,根据分析结果,所优化的手臂关节向与关节极限相反的方向运动,并且雅可比矩阵的条件数得到了降低,从而证实了此种算法对单个冗余自由度优化多个性能准则的有效性.     

双足机器人逆运动学的模糊自适应算法

针对双足机器人逆运动学的数值解法中存在的雅可比矩阵奇异性和调节参数固定问题,提出了一种改 进的求解方法．运用微分运动方程的近似解避开雅可比矩阵求逆,利用能够减小跟踪误差的自适应模糊控制法,调 节自适应参数以使近似解任意逼近精确解,从而得到了精确性极高和强鲁棒性的模糊自适应算法．通过双足机器人 运动学的仿真分析,验证了该算法的有效性．而且整套算法的计算时间约为0.35 ms,可以用于实际双足机器人的实 时控制．     

仿人机器人逆运动学在线求解方法研究

针对仿人机器人逆运动学在线求解问题,从计算实时性与数值稳定性的角度展开研究。分析了仿人机器人下肢拓扑结构,建立其运动学模型与前向运动学描述,根据当前机器人逆运动学算法研究成果,将几何方法与阻尼最小二乘法相结合,并结合分段阻尼思想,提出一种仿人机器人在线逆运动学求解算法。根据运动规划结果,将所提方法与基于雅可比矩阵的广义逆方法通过仿真算例进行对比,验证了所提方法在奇异位形附近的数值稳定性和在线实施的可行性。     

A Real-Time Kinematics on the Translational Crawl Motion of a Quadruped Robot

It is known that the kinematics of a quadruped robot is complex due to its topology and the redundant actuation in the robot. However, it is fundamental to compute the inverse and direct kinematics for the sophisticated control of the robot in real-time. In this paper, the translational crawl gait of a quadruped robot is introduced and the approach to find the solution of the kinematics for such a crawl motion is proposed. Since the resulting kinematics is simplified, the formulation can be used for the real-time control of the robot. The results of simulation and experiment shows that the present method is feasible and efficient.     

Fast and robust numerical method for inverse kinematics with prioritized multiple targets for redundant robots

In this paper, a new numerical method for inverse kinematics with prioritized multiple targets is proposed. The proposed method is constructed based on the virtual spring model and joint-based damping control. The targets are prioritized by adjusting the effect of the virtual springs. The proposed method has the following three features. First, it does not require complex calculations such as a Jacobian matrix projection into the null space. Second, it can solve prioritized inverse kinematics problems in the position level without integrating the joint velocity. Third, it is robust to parameter variations and singular configurations. The second feature is motivated by the background that most industrial robots in factories are used as position-controlled robots. Simulation experiments using a 9-DOF redundant robot show that the proposed method is faster and more robust than the conventional method. The proposed method is expected to be useful for helping to avoid collisions between links and obstacles using the redundancy.     

四足机器人对角小跑步态非线性控制方法仿真

针对现有的四足机器人对角小跑步态控制方法存在的机器人运动速度较慢、灵活性较差等问题,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态非线性控制方法。方法需要构建一个四足机器人模型,并在该模型的工作范围内建立一个平面直角坐标系,在不考虑机器人足端车轮滑动的情况下,将驱动四足机器人的运动方程转换成矩阵的形式,寻找有界输入平动线速度和转动角速度,使矩阵在其控制下产生的误差可以在大范围内保持稳定。求解该四足机器人在工作平面坐标系中姿态误差的微分方程,构造该微分方程的Lyapunov函数并对其求导,根据求导结果设计一个四足机器人驱动控制器,通过该驱动控制器实现对四足机器人的对角小跑步态非线性控制。仿真结果表明,所提方法能够在快速、灵活的情况下实现对四足机器人对角小跑步态的非线性控制,且鲁棒性较高,能够满足用户需求。     

基于遗传算法的机器人运动学逆解

在分析以往逆解方法的基础上，提出了用遗传算法求解机器人运动学逆解的方法，给出了用于优化求解的适合度函数，并提出用二次编码法提高解的精度．计算机模拟证明：该方法能快速收敛于全局最优解，能给出机器人的可能解，并能计算冗余度机器人的逆解．     

基于QR分解的冗余度机械臂雅可比矩阵求逆方法

针对冗余度机械臂在轨操作实时性的需求,提出一种基于QR分解的冗余度机械臂雅克比矩阵求逆方法。根据具体的冗余度机械臂的构型特点,将运动学逆解过程划分为多个模块,采用修正施密特QR分解方法计算机械臂雅可比矩阵的伪逆,利用硬件描述语言在FPGA上对各个模块进行了实现。以机械臂直线运动为例,通过仿真实验与利用Matlab解算的方法进行了对比,并研究了定点数长度对硬件资源和误差的影响。实验结果验证了所提出雅克比矩阵求逆方法的可行性及有效性。     

带主动腰关节的四足机器人平稳运动控制

针对四足机器人在对角小跑运动时出现的后腿“拖地”、机体振荡的现象,提出了一种基于偏航方向上主动腰关节摆动的解决方法。通过D-H法对机器人各关节进行运动学建模,获得其运动学方程,并采用Kuramoto振荡器模型作为扩展的CPG耦合网络振子,实现对腰、腿关节的统一控制。仿真实验表明,经过腰关节控制优化后的机器人在对角小跑时,相对于刚体躯干的机器人,姿态角变化幅度显著减小,抬腿高度明显增加,有效地提高了机器人的运动稳定性,证明了方法的可行性。     

基于Klann连杆的球腿复合机器人的设计与研究

结合球形和四足机器人两者优势,创新性地提出一种能适应多重作业环境的球腿复合移动机器人．在滚动模式下,对其进行直线滚动和侧滚转向分析,验证机器人转向的可行性．在四足模式下,以复数矢量法求得机器人足端坐标,并用Matlab绘制的足端轨迹曲线与Adams仿真曲线对比,验证了理论的正确性．以抬腿高度作为目标函数,由非线性规划算法求得足端轨迹最优解．采用质心投影法分析了机器人四足行走时的稳定性．建立仿真模型对机器人的四足直行、四足转向、四足爬坡和球体侧滚等运动模式进行仿真试验．同时,制作一台样机,验证了该机器人方案设计及各运动模式的可行性．     

Adaptive dynamic locomotion of quadrupedal robots with semicircular feet on uneven terrain

This paper proposes an adaptive trajectory generation method for quadruped robots with semicircular feet to control body speed and heading, and to minimize power consumption on uneven terrain. The semicircular foot with single line of contact is easier to solve the kinematic problems than flat feet with active ankle joints. And its wheel-like rolling motion leads to improvement in power autonomy and reduction of impact forces. The adaptive gait patterns are changed by the sequential modulation of the locomotion period and the stride per step which are determined by the desired body speed and heading commands, and external environments. The efficiency and performance of the developed method are verified through computer simulations and experiments using a hydraulic actuated quadrupedal robot.     

Trajectory Planning with Collision Avoidance for Redundant Robots Using Jacobian and Artificial Potential Field-based Real-time Inverse Kinematics

This study proposes an algorithm for combining the Jacobian-based numerical approach with a modified potential field to solve real-time inverse kinematics and path planning problems for redundant robots in unknown environments. With an increase in the degree of freedom (DOF) of the manipulator, however, the problems in realtime inverse kinematics become more difficult to solve. Although the analytical and geometrical inverse kinematics approach can obtain the exact solution, it is considerably difficult to solve as the DOF increases, and it necessitates recalculations whenever the robot arm DOF or Denavit-Hartenberg (D-H) parameters change. In contrast, the numerical method, particularly the Jacobian-based numerical method, can easily solve inverse kinematics irrespective of the aforementioned changes including those in the robot shape. The latter method, however, is not employed in path planning for collision avoidance, and it presents real-time calculation problems. This study accordingly proposes the Jacobian-based numerical approach with a modified potential field method that can realize real-time calculations of inverse kinematics and path planning with collision avoidance irrespective of whether the case is redundant or non-redundant. To achieve this goal, the use of a judgment matrix is proposed for obstacle condition identification based on the obstacle boundary definition; an approach for avoiding the local minimum is also proposed. After the obstacle avoidance path is generated, a trajectory plan that follows the path and avoids the obstacle is designed. Finally, the proposed method is evaluated by implementing a motion planning simulation of a 7-DOF manipulator, and an experiment is performed on a 7-DOF real robot.