液压驱动四足机器人步态规划和运动控制

针对液压缸运动加速度突变影响四足机器人运动平稳性的问题,对液压缸的加减速控制方法进行了分析,对液压缸的运动平稳性和特性等方面进行了研究,提出了7次位移曲线控制方法作为液压缸的位移控制规律。根据运动稳定裕量原则规划了四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为75 mm。利用ADAMS仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析对比了步态的运动学量、动力学量和位移控制规律的运动特征曲线,验证了步态的可行性。在四足机器人原理样机上进行了实验调试,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,机器人能够根据规划的步态完成多个循环的稳定行走,通过7次位移曲线的应用提高了机身在整个行走过程中的平稳性。     

四足机器人爬行步态的正运动学分析

讨论了四足机器人TITAN—Ⅷ爬行步态的自然约束条件,推导了机器人冗余驱动变量和独立驱动变量之间的位置和速度关系,求解了机器人机体位置和速度的运动学正解。分析表明,只要机器人机体面保持与脚底接触面平行,机器人就能够实现在不平地面上的全方位爬行,而且该正运动学的求解需要解一个一元十六次高阶代数方程。逆运动学分析以及试验都验证了正运动学的求解结果。     

四足机器人Trot步态的偏航运动控制

为解决四足机器人Trot步态的偏航运动控制问题,借鉴两轮差速驱动的原理将机身的运动分解为两着地腿的运动,再基于弹簧倒立摆模型对单个着地腿的前进速度和侧移速度进行控制,最后通过控制两着地腿的运动来控制机器人整体的运动,从而实现对机器人偏航角的控制.基于这种思想,可以对偏航角、前进速度和侧移速度的控制进行统一设计,简化了基于三维模型的四足机器人运动控制的难度.在虚拟样机中进行仿真实验,发现控制方法在前进速度为零和非零时都能对偏航角进行很好的控制.     

四足机器人典型步态仿真

四足机器人相对于双足机器人在稳定性和承载能力上要好,而相对于六足和八足步行机器人在结构和控制上比较简单,因此四足步行机器人已经成为移动机器人领域研究的热点之一.文中运用SolidWorks、ADAMS和Mtalab/Simulink建立机器人仿真模型,并在仿真系统中对机器人进行平面直线行走步态的仿真研究,并对质心速度均匀和非均匀情况下的机器人运行效率、足尖地面碰撞力、单腿髋关节力进行了仿真与分析.经仿真验证:相对于质心速度非均匀步态,质心速度均匀的步态在机器人运行稳定性和运行效率方面均得到很大的提高,而对足尖碰撞力和单腿髋关节力影响较小.     

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。     

四足步行机器人步态规划与稳定性分析

通过对各种步态详细的分析和讨论,得出了稳定行走的最佳步态。为了得到稳定、易于控制的机器人系统,研究和分析了四足机器人的静态稳定性,并给出了系统稳定性的判断方法。     

一种新型四足变胞爬行机器人的步态规划研究

随着移动机器人在探测救援中的应用逐渐增多,活动灵巧、环境适应能力强的多足机器人越来越受到国内外学者的关注。介绍一种腰部可以活动的四足机器人的设计及其步态生成,并展示了活动腰部可提升机器人对极端环境的适应性。提出三个基本假设以简化机构模型,提出腰部构态变换规则,并用几何方法说明了腰部构型变化可扩大机器人腿部活动空间,从而提升对复杂环境的适应性。另外,腰部运动与步态融合,生成了两种新的基本步态——扭腰直行步态和原地旋转步态。基于提出的两种步态,对比了固定腰部与可动腰部条件下运动稳定裕度的变化,分别计算了狭窄弯道通过条件,并分析了所设计步态对头部视觉的影响,从而证明所设计机器人具有较高的极端环境适应能力。     

基于虚拟样机技术的四足机器人步态规划与仿真

建立四足机器人质心与各关节角的关系,利用虚拟样机技术,通过质心轨迹来控制四足机器人的运动。首先,建立四足机器人质心与各关节角的运动学方程;然后,规划四足机器人的质心轨迹;最后,应用ADAMS建立虚拟样机模型,结合MATLAB对预定的质心轨迹进行联合仿真。通过对仿真结果中的机体位移、速度、关节转矩的响应曲线进行分析,并结合静力学仿真结果,对四足机器人的机构设计提出合理的简化方案。     

液压作动的四足机器人步态规划及运动分析

以电机作为驱动力的四足机器人由于受到关节电机输出力矩的限制而无法承担较大负载,而以液压能作为驱动力则可承担较大的载重,这在军事后勤运输方面具有重要意义.文中设计了一种以液压能作为驱动力的四足机器人的腿部机械结构,对其进行了步态规划并建立了四足机器人对角小步跑的运动学模型,分析了腿部各个结构部件的运动规律.为进一步研究四足负重机器人的驱动控制提供了参考.     

基于重心侧向摆动的四足机器人爬行步态优化

针对四足机器人采用爬行步态行进时高稳定裕度和行走速度难以同时获得的问题,借助间歇爬行步态中重心侧向摆动的动作优化了爬行步态。通过侧向调整重心对爬行步态进行优化以达到行进速度和稳定裕度的平衡。定量描绘出重心侧向移动幅度对四足爬行步态稳定裕度的影响。基于Adams虚拟样机,仿真分析了优化后爬行步态在稳定性和速度上的改善。最后通过原理样机试验验证了该优化步态的有效性。     

小型化四足机器人的运动学分析及仿真研究

为降低四足机器人的工作能耗,提高其在恶劣环境下的有效工作时间,提出了一种小型化四足机器人的设计方案。首先,说明了该四足机器人的运动方式,详细介绍了其控制系统、减速传动机构、分解传动机构、间歇分配机构和腿部机构;然后,针对该小型化四足机器人的简化模型进行了运动学分析,将运用Pro/E软件建立好的小型化四足机器人模型导入ADAMS软件中,再基于ADAMS平台进行了三维四足机器人模型的运动仿真;最后,重点分析了该四足机器人双侧腿部进行步态切换时的行走状态,总结出了其速度曲线突变的原因。研究结果表明,该小型化四足机器人可以实现稳定的运动,进而验证了机器人设计方案的可靠性。     

舵机驱动仿生四足机器人设计

四足机器人是模仿动物的运动机理,实现不同环境下的适应性行走.电机驱动相比液压或气压驱动,有能量传递方便,信号传递迅速,标准程度高的优点,成为机器人驱动的主流选择.针对四足机器人多自由度运动的特点,提出了一种舵机驱动控制机器人实现所规划的行走步态的有效方法.即采用模块化设计了舵机驱动四足机器人,其中包括控制系统软硬件的设...     

Motion capability analysis of a quadruped robot as a parallel manipulator

This paper presents the forward and inverse displacement analysis of a quadruped robot MANA as a parallel manipulator in quadruple stance phase, which is used to obtain the workspace and control the motion of the body. The robot MANA designed on the basis of the structure of quadruped mammal is able to not only walk and turn in the uneven terrain, but also accomplish various manipulating tasks as a parallel manipulator in quadruple stance phase. The latter will be the focus of this paper, however. For this purpose, the leg kinematics is primarily analyzed, which lays the foundation on the gait planning in terms of locomotion and body kinematics analysis as a parallel manipulator. When all four feet of the robot contact on the ground, by assuming there is no slipping at the feet, each contacting point is treated as a passive spherical joint and the kinematic model of parallel manipulator is established. The method for choosing six non-redundant actuated joints for the parallel manipulator from all twelve optional joints is elaborated. The inverse and forward displacement analysis of the parallel manipulator is carried out using the method of coordinate transformation. Finally, based on the inverse and forward kinematic model, two issues on obtaining the reachable workspace of parallel manipulator and planning the motion of the body are implemented and verified by ADAMS simulation.     

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

针对串联四足机器人行走惯量大,自重/载重比大的问题,提出一种新型串并混联四足步行机器人,并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成,每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成,其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态,基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解,利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性;基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵,分析了其奇异性,并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明:该腿在髋关节连杆直径d=22mm,大腿杆件直径D=50mm,膝关节转角θ4∈[105°,155°]时,工作空间呈球冠形,最大内接圆半径R=400mm,高度为H∈[500mm,900mm]。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。     

Energy efficiency analysis of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory

Quadruped robots consume a lot of energy, which is one of the factors restricting their application. Energy efficiency is one of the key evaluating indicators for walking robots. The relationship between energy and elastic elements of walking robots have been studied, but different walking gait patterns and contact status have important influences on locomotion energy efficiency, and the energy efficiency considering the foot-end trajectory has not been reported. Therefore, the energy consumption and energy efficiency of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory are studied. The forward and inverse kinematics of quadruped robot is derived. The combined cycloid function is proposed to generate horizontal and vertical foot trajectory respectively, which can ensure the acceleration curve of the foot-end smoother and more successive, and reduce the contact force between feet and environment. Because of the variable topology mechanism characteristic of quadruped robot, the leg state is divided into three different phases which are swing phase, transition phase and stance phase during one trot gait cycle. The non-continuous variable constraint between feet and environment of quadruped robot is studied. The dynamic model of quadruped robot is derived considering the variable topology mechanism characteristic, the periodic contact and elastic elements of the robot. The total energy consumption of walking robot during one gait cycle is analyzed based on the dynamic model. The specific resistance is used to evaluate energy efficiency of quadruped robot. The calculation results show the relationships between specific resistance and gait parameters, which can be used to determine the reasonable gait parameters.     

一种四足马机器人的结构模型及其步行控制

参照马的生理结构,对四足马机器人的一种结构及其步行控制方法进行了研究。为验证该方法的有效性,首先,根据仿生原理设计出具有12个运动关节和4个球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,基于提出的结构模型,设计并实现了四足马机器人行走步态和对角小跑步态,并对步行稳定性进行了分析。步行实验表明,所提出的四足马机器人仿生结构及两种步态的实现方法具有可行性。     

可实现自动翻正的仿生四足机器人的设计与分析

针对四足机器人从空中无意跌落或被空投时的姿态调整及安全着陆问题,设计了一种可以实现自动翻正和落地缓冲的仿生四足机器人;建立了双刚体运动学模型,推导了转身率与弯曲角之间的关系;以能量耗散最小为优化目标,建立了优化问题的数学模型,求解了最优输入速度及对应的能量;在此基础上,设计了含有3个电机的机器人样机,分析了整个翻身落地过程的动作时序,建立了动力学模型并进行了仿真。仿真结果表明,该机器人结构及输入参数可以实现自动翻正,设计的腿部弹簧有助于避免机器人翻倒,减小了落地碰撞的加速度,起到了落地缓冲作用。文中设计与分析过程为可实现自动翻正的仿生四足机器人的研发提供了参考。     

液压四足机器人机身扰动抑制及实验研究

针对液压四足机器人在运动过程中的机身扰动较大的问题,提出基于运动学和虚拟模型的液压四足机器人机身扰动抑制策略。分析机器人机身扰动产生的机理及其影响,建立四足机器人整机运动学方程,根据机器人实时姿态反馈抑制机身扰动。同时在机器人机身横滚和俯仰自由度上引入弹簧阻尼虚拟元件,通过调整虚拟力的大小控制机身姿态。面向机器人对角小跑步态,对机器人摆动相和支撑相进行足端轨迹规划。通过液压四足机器人平台进行实验验证,实验结果表明,该扰动抑制策略能够根据机器人的机身姿态调整关节角度,机器人机身起伏小,机器人实际运动轨迹与理论运动轨迹接近,验证了所提方法的有效性。