面向Trot步态的四足机器人单腿结构及其尺寸优化

四足机器人的单腿是整机的主要支撑单元,同时也是四足机器人底层的运动单元.因此,单腿的设计会直接影响四足机器人的运动能力.针对四足机器人最为常见的Trot步态运动特点,设计了一种能适应Trot步态的新型单腿结构,并从尺寸优化的角度对该新型单腿进行结构优化.数值计算的结果表明,优化后的单腿在增大工作空间范围、减小驱动力矩等方面提升显著,可作为底层结构集成到四足机器人整机系统中去,同时也为四足机器人本体的结构设计提供了一定的理论参考.     

基于尺度互异的腿式移动着陆器步态规划

随着深空探测的不断发展,为扩大巡视范围,迫切需要将现有的固定式着陆器拓展为集着陆功能和巡视功能为一身的可移动式着陆器.在完成着陆功能后,着陆器腿机构因杆件压溃导致尺度互异,这一特征对行走阶段的步态规划带来了挑战.提出了一种基于尺度互异的腿式移动着陆器步态规划方法.针对身体位姿优化、步幅和落足点选择、腿序设计等问题,对传统四足机器人步态规划方法做出改进.提供了两种步态策略,使其在尺度互异条件下能适应平坦路面和崎岖路面.最后以一特定的腿式移动着陆器构型为对象设计了数字样机仿真实验,验证了尺度互异条件下的步态生成方法的正确性和有效性.     

液压四足机器人内力抑制及实验研究

针对液压四足机器人在关节位置控制模式下引起的机器人内力问题,建立液压四足机器人单腿运动学方程和单腿动力学方程,分析机器人内力产生的机理及其对机器人性能的影响,提出基于动力学模型的机器人内力自适应抑制策略。自适应控制器利用关节理论力与实际力间的差值对位置指令进行补偿,以实现消除内力的目的。通过液压四足机器人HD平台进行控制策略验证,实验结果表明,机器人在位置控制模式下,机器人内力抑制策略可有效降低系统内力,使得机器人实际驱动力与理论驱动力接近,验证了控制策略的有效性。     

单腿失效的六足机器人失稳调整与容错步态设计

对六足机器人在运动过程中,支撑腿发生单腿失效时的稳定性进行了分析,根据零力矩点法(ZMP)与力-角稳定锥法(FASM)结合的失稳判定流程给出一种基于实时运动平面解析求解方法的失稳倾翻调整策略;在CPG控制器分层建模的基础上设计一种自适应容错步态生成器,根据腿部负载的变化延长或缩短支撑相并且能够产生多种步态.采用ADAMS-Matlab联合仿真系统对六足机器人单腿失效倾翻调整策略和容错步态进行仿真,仿真结果表明:机器人发生失稳倾翻时能够在1s内完成调整;自适应容错步态下的稳定裕度在0.6～1.6 m范围内且翻滚角及俯仰角的波动范围均在-1°～1°之间.验证了失稳倾翻调整策略和自适应容错步态应用在单腿失效六足机器人上的可行性和有效性.     

液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划

针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题,面向竖直跳跃运动,以液压四足机器人单腿为研究对象,建立液压驱动四足机器人单腿运动学模型,并分别对机器人单腿处于起跳相、落地相和腾空相时进行轨迹规划;根据关节参数,通过运动学逆解求得驱动函数,利用仿真软件ADAMS进行竖直跳跃步态仿真;搭建单腿实验平台,进行实验验证,依据得到的动态特性,分析步态规划的准确性及合理性,为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据。     

基于ADAMS的四足仿生机器人单腿结构设计

利用ADAMS软件虚拟样机技术,设计了液压驱动的四足仿生机器人单腿机械结构。通过分析四足哺乳类动物身体结构及运动特性,设计了仿生机器人的机械机构,确定了机器人腿部自由度配置,建立了仿真模型。根据动物的实际运动步态,规划并设计了静步态及对角小跑两种步态,进行了逆动力学仿真,得到关节等关键部位输出数据。在仿真实验的基础上,设计了液压作动器的关键参数及四足仿生机器人单腿机械结构。     

四足机器人单腿系统及其跳跃柔顺控制的研究

为了解决四足机器人运动过程中的着地冲击力问题,设计了一种基于力的阻抗控制的柔顺控制方法。以四足机器人单腿系统的结构为基础,对其进行运动学分析,进一步求解其速度雅克比矩阵和力雅克比矩阵。将单腿系统简化为"质量-弹簧-阻尼"模型,分析研究单腿系统的跳跃运动特性并规划质心运动轨迹。基于阻抗控制的思想,设计了基于力阻抗控制方法的内环控制器和外环控制器,利用Adams-Simulink联合仿真,通过跳跃运动仿真研究了基于力的阻抗控制方法在跳跃运动中的柔顺效果。搭建四足机器人单腿实验平台,对四足机器人单腿系统进行实验研究,实验结果表明基于力的阻抗控制在机器人的跳跃运动中具有较好的柔顺效果。     

六足机器人腿部损伤的容错行走研究

设计了一款皮带传动的六足机器人,利用逆运动学对该腿部机构进行工作空间分析。因非结构化环境的环境信息不可知且较恶劣,使得六足机器人腿部损伤现象时常发生。为了提高腿部损伤六足机器人的容错行走能力,在无附加装置和系统的条件下,提出了一种新的控制策略。首先对机器人受损腿部情况进行分类,并基于受损后六足机器人的稳定裕度分析,通过利用机身姿态动态调节和利用部分腿的基节初始化转角调节提高其容错行走能力。分析腿部损伤六足机器人在一个运动周期内的足端位移、机身姿态等实验数据,从而验证了所提控制策略的有效性。     

一种新型弹性足式机器人腿部结构设计与分析

提出了一种新型弹性足式机器人腿部结构设计方法。设计了一种结构简单、响应速度快、抗冲击性强的新型足式机器人腿LCS-Leg(Linkage cable-drive spring leg)。该机器人腿采用弹性连杆机构和线驱动系统,有效降低了腿部惯量和着地冲击力,提高了机器腿的响应速度和减振抗冲能力。使用复数矢量法和D-H方法建立该机器腿运动学模型,基于此模型求解足端运动工作空间,分析了LCS-Leg的越障能力。设计单腿仿真试验平台,对两种不同结构的机器腿进行仿真,对比两者的质心高度、前进速度和足端接触力,验证了所设计机器腿的运动性能。试制弹性足式机器人腿及其试验平台,通过实物样机单腿行走试验,验证了设计方法的有效性,并完成了四足机器人整体结构设计。     

基于GPS的足轮组合式野外探测机器人设计

针对野外复杂环境,结合腿足式行走和轮式行走机器人的优点,设计了一套足轮组合式探测机器人的控制系统,实现了腿足模式和轮式模式的切换。通过分析"六足纲"昆虫各腿的协调关系,提出了六足机器人的三角步态行走法,并在此基础上对足轮组合运动模式进行了分析,建立了足轮组合式机器人的运动模型和控制理论。设计的机器人能够完成实时环境视频采集,在四轮模式下的前进、后退、左转、右转,六足模式下的前进、后退、左横行、右横行、左转、右转,以及机器人的跟踪定位等功能。     

面向并联机器人驱动器故障的容错纠错方法研究

基于机构类型演化提出了一种具有驱动器故障容错功能的1TP+3TPRS型并联机器人的新结构;研究了机器人的机械系统容错重构策略;在位置反解的基础上导出了机器人的重构规划算法;对于退化机器人容错性能指标的研究,定义了容错空间影响因子,可以用来衡量机器人在发生故障后的容错操作能力;基于这个指标,提出容错并联机器人的结构参数优设计方法;通过模拟动平台按预期轨迹运动时某驱动器在不同时刻发生故障的情况,比较了退化机器人的工作状况,结果表明基于容错空间影响因子的结构参数优设计方法对于提高容错性能具有重要的意义。     

并联腿机构在四足/两足可重组步行机器人中的应用

将并联腿机构用于助残步行机器人,可大大提高步行机器人的载重/自重比,从而节省能源,延长行走时间。为此提出并联腿机构四足步行机器人。四足稳定性好,安全性高,但是上下楼梯或台阶时座椅有较大的倾斜。为了解决这一问题,提出一种四足/两足可重组并联腿机构步行机器人。在一般路面采用四足行走,消除使用者乘坐两足步行机器人时的恐惧心理;在上下楼梯或台阶时采用两足行走,弥补四足步行机器人行走时产生的身体倾斜。提出四足/两足可重组步行机器人机构上的实现方法,分析3自由度3-UPU并联机构,以及其两两合并后的6-SPU并联机构,讨论它们在四足/两足可重组并联腿步行机器人中的应用,通过自由度计算进行四足/两足步行机器人的可动性分析,为四足/两足可重组并联腿机构步行机器人的进一步研究奠定了理论基础。     

仿生四足机器人的结构与步态分析

介绍了仿生四足机器人的整机结构和单腿结构.在此基础上,对仿生四足机器人进行了运动学分析、直线行走步态分析与定点转弯步态分析,并进行了样机步态测试.     

四足机器人爬行凸起上坡的运动仿真研究

针对斜坡凸起环境下四足爬行机器人上坡时腿部受较大地面冲击的问题,设计了一种四足机器人的爬坡步态。首先,建立了三维柔性腿部结构模型;接着,针对斜坡凸起路面,对平坦路面下对角小跑步态的抗冲击性和稳定性进行了优化设计;然后,通过机器人单腿正、逆运动学分析,获得了斜坡对角小跑步态下四足机器人足端轨迹与关节角度的映射关系;最后,在斜坡凸起环境下对四足机器人进行了爬行运动仿真。研究结果表明:与平坦对角小跑步态相比,采用斜坡对角步态的四足爬行机器人质心位移更加平稳,其胫节足端接触力峰值较平坦对角小跑步态减小了8.05%,验证了所设计的爬坡步态的合理性。     

基于足端轨迹规划算法的液压四足机器人步态控制策略

设计一种液压四足机器人仿生机构,通过设定相应的坐标系为机器人进行运动学建模,并对行走过程中单腿的相位关系进行了分析。针对行走过程中足端的拖地、滑动和接触冲击等问题,提出一种零冲击的足端轨迹规划改进算法,并实现了步态规划算法设计。步态规划根据步态中各腿间的相位关系,借助四足机器人运动学模型进行逆运动学解算,求出各腿的关节角度函数,利用机构的几何关系得到各液压缸伸缩量控制函数,对试验样机各腿进行伺服驱动控制,从而实现液压四足机器人的步态规划行走。仿真试验结果表明,在该策略驱动控制下液压四足机器人行走过程连续平稳,样机足端轨迹较为平滑,躯干起伏较小,证明了该足端轨迹规划方法用于四足机器人步态设计的合理性和有效性。     

机电液一体化仿真在腿式液压机器人设计中的应用

机电液一体化系统是不同领域子系统的综合体,为分析液压四足机器人单腿机电液系统的整体特性,运用软件接口的联合仿真方法对液压四足机器人单腿系统进行机电液一体化建模。在联合仿真平台上,对有无蓄能器两种情况进行仿真比较,显示了蓄能器减小系统压力脉动和稳定系统压力的作用。设计了一种仿生足端轨迹,与现有的基于椭圆的足端轨迹比较,发现在同样的条件下,仿生足端轨迹所需的流量更小。仿真结果对液压四足机器人物理样机设计具有一定指导意义。     

基于ADAMS的六足机器人腿机构优化设计与仿真

针对传统六足机器人腿机构自由度较多、控制较复杂的情况,综合考虑了足端运动轨迹对机器人越障能力和行进速度的影响,设计了一种具有单自由度腿机构的六足机器人.基于机械动力学软件ADAMS,建立参数化腿机构模型,并对参数化腿机构模型进行关键尺寸的优化设计,验证了六足机器人腿机构的有效性.有效提高了六足机器人的越障能力和行进能力,为后续研究奠定了基础.     

适用于月面极端地形的爬-滚机器人设计及爬行滚动特性分析

面向月面极端环境科学探测任务,提出一种兼有快速通过性和良好环境适应性的爬行滚动一体化机器人设计方案,通过机器人6条腿的形态变化,使机器人具有爬行和滚动两种运动模式.在对爬-滚机器人构型分析的基础上,建立了单腿正逆运动学模型,以运动学为基础,基于足端轨迹规划设计了爬行模式下机器人直行、原地转向步态;结合非结构地形的特殊性,通过尺寸和力约束条件分析了机器人滚动模式下的最大爬坡角和最大越障高度.基于ADAMS软件对机器人爬行模式直行、原地转向,滚动模式爬坡、越障等运动行为进行了模拟,并搭建了机器人移动试验平台,对机器人样机在实验室环境中进行了测试,仿真和试验结果表明机器人在爬行模式下具有良好的移动性能,在滚动模式下具有一定的爬坡和越障能力,爬行、滚动模式运动特性分析能准确地评价机器人性能,证明了该设计方案的适用性和可行性,为后续特种探测机器人的研究提供借鉴.     

一种仿生四足机器人的腿部结构设计及其轨迹规划

为了提高四足机器人的行走稳定性,在对"马腿"进行仿生分析的基础上,设计了一种四足机器人的新型腿部仿生结构,并基于该机器人的单腿运动学模型,利用复合摆线法对其足端轨迹进行了规划;通过分析足端位移、速度、加速度的变化特点,证明满足该机器人行走稳定性的要求,为后期机器人物理样机的稳定性实验提供了理论依据。     

四足机器人翻滚运动力学分析及仿真

设计了一种具有分段身体结构的四足机器人,通过合理设置身体各部分的协同运动,该四足机器人能够将身体折叠成圆盘状,能以静步态、对角步态进行四足行走,同时还能实现前向翻滚运动。分析了四足机器人调整重心,实现翻滚过程的力学过程。ADAMS动力学仿真的结果表明,此滚动运动模式运动平稳,具有较高的运动效率。