双足机器人腿部新构型设计与试验研究

探究高动态性能双足机器人对腿部设计的要求,阐明机器人腿部设计准则、设计方案和实现措施。提出一种腿部串并联新构型方案,膝关节驱动器上移到髋关节,踝关节驱动器上移到膝关节,膝关节驱动器通过简化五连杆机构将运动传递到膝部,踝关节驱动器通过并联四连杆机构将运动传递到踝部。对踝关节并联机构和整个腿部关节进行运动学正逆解,建立新构型机器人的仿真模型。考虑运动控制算法,完成机器人动力学仿真。测试准直驱驱动器性能,并完成串并联构型腿部样机试验验证,机器人可实现0.4m/s的行走速度。结果表明,提出的腿部串并联新构型与传统串联构型比具有更高的运动性能,新构型机器人性能在真机测试中得到验证。该串并联新构型方案在双足机器人和其它服务机器人领域具有广阔的应用前景。     

八足机器人行走机构设计及其运动学分析

针对多足机器人在变地形环境下快速行走的问题,对多足机器人的腿部机构与运动模式进行了研究,设计了两种机器人腿部行走机构,即六连杆腿部机构与齿轮传动腿部机构,并基于这两种腿部行走机构组合了一种八足机器人。首先,对八足机器人各腿部行走机构和整体结构进行了设计分析,根据各腿部机构选择适用步态进行了研究,即前后连杆腿的对角步态与中部齿轮腿的单线直行步态;然后,研究了机器人的两种不同腿结构的行走性能,对其进行了运动学分析;最后,整体分析了机器人对角步态和越阶梯两种运动模式,并通过ADAMS软件对机器人两种运动模式进行了运动仿真,将后处理曲线与运动分析进行了对比。研究结果表明:机器人行走具有稳定性,两种运动模式具有可行性。     

仿生步行机器人腿部八连杆机构轨迹优化

针对一种仿生机器人腿部的八杆机构,通过研究机构运动时的轨迹建立优化设计的数学模型,以此提高机器人的步行速度、运动稳定性和越障能力。应用软件ADAMS建立机构的参数化模型,并进行多目标优化设计寻找最优解。根据优化结果,更改八杆机构参数重新仿真后,机器人腿部在一个运动周期内的速度、稳定性和越障等参数均得到提升,优化效果明显。可为同类机构的优化设计提供些许参考与借鉴。     

单自由度八连杆机构链型的拓扑特性研究

通过对单自由度的八连杆机构链型进行拓扑特性的研究,比较了10种单自由度八杆机构链型的拓扑特性。八连杆链型的拓扑特性分析可以为设计者在八杆机构的选择和创新设计中提供一种理论依据。     

2-DOF并联行程放大机构结构参数优化

为研制一种能实现快速行走、运动灵活性好的仿生四足机器人,对一种能够实现机构末端位置行程放大的2自由度并联机构进行运动性能分析与结构参数优化,并将优化结果应用到仿生四足机器人的腿部机构,研制出样机。首先,推导2自由度并联行程放大机构位置反解,建立机构的线速度雅克比矩阵,对机构的工作空间进行分析。其次,建立机构运动灵活性能评价指标,揭示主要结构参数对灵活性能指标的影响规律。然后,采用容限加权法确定一组合理的结构参数,使运动灵活性能指标达到最优。最后,根据优化的结构参数设计出仿生四足机器人腿部机构和整体的虚拟样机,并进行虚拟样机运动仿真。仿真结果表明:并联行程放大机构各驱动参数变化平稳,理论速度和仿真速度误差在±1.6×10~(-6)m/s范围内,验证仿生四足机器人腿部机构设计方案和结构参数的合理性及理论推导的正确性,为该仿生四足机器人的进一步研究奠定了基础。     

一种新型可调整闭链多足机器人的设计与分析

针对单自由度闭链腿部机构足端轨迹单一导致机器人的地面适应性不足，提出一种新型可调整闭链腿部机构。以Klann六杆机构为构型基础，增加一个使其机架铰链转动的自由度，实现了铰链位置的调整。用此方法获得足端轨迹的连续性变化，从而可在纵向上提高抬腿高度以增强越障能力，同时可在横向上改变跨步距以实现逼近目标点的规划，并且还可通过切地角度的调节降低爬坡过渡段的足端冲击。此种腿部机构在行走时由一个电动机驱动，可维持其单自由度特性，在少驱动数目、高结构刚度以及大承载能力方面具有性能优势。进行腿部机构的构型设计、运动学分析以及以最大抬腿高度为目标的参数优化。在此基础上构建八足机器人，建立足端轨迹簇并进行轨迹的参数分析，开展行走策略的研究。制作一台样机，针对典型地面环境开展适应性试验，验证了设计的可行性。     

八连杆冲压机构工作参数矢量优化方法

针对八连杆冲压机构的工作姿态变换,压力机构伸缩量之间的关系无法量化的问题,基于ADAMS优化八连杆冲压机构.分别分析八连杆冲压机构工作的工作原理以及工作情况,明确构件中的设计变量,并通过点位移函数表达式组建目标函数;在此基础上,以最小压力角为设计目标,构建八连杆参数优化设计数学模型,结合机械系统仿真软件AD-AMS对该数学模型进行运动仿真以及参数优化计算,得到具有较高运行效率的八连杆冲压机构仿真结果.仿真结果表明,八连杆冲压机构云顶轨迹位移方程有效性得到保证,构件部分设定的矢量模型具有有效性以及实用性.     

四足机器人腿部机构运动学分析与实现

通过研究犬类骨骼结构,确定了机器人关节数和腿部机构简图,提出一种四足机器人腿部机构运动学分析和实现的方法.对机器人进行运动学建模,借助模型进行了机器人正逆解计算以及求出腿部机构关节转角与电机转圈数之间的关系.借助ADAMS动力学仿真软件,验证单腿机构的运动起立过程和关键参数变化规律,逆向运动学仿真得到了关节扭矩等关键数据,设计了以滚珠丝杆为传动机构的腿部结构.实践表明,该机构的设计方法有利于仿生机器人的研究与发展.     

四足机器人腿部机构运动学分析与实现

通过研究犬类骨骼结构,确定了机器人关节数和腿部机构简图,提出一种四足机器人腿部机构运动学分析和实现的方法.对机器人进行运动学建模,借助模型进行了机器人正逆解计算以及求出腿部机构关节转角与电机转圈数之间的关系.借助ADAMS动力学仿真软件,验证单腿机构的运动起立过程和关键参数变化规律,逆向运动学仿真得到了关节扭矩等关键数据,设计了以滚珠丝杆为传动机构的腿部结构.实践表明,该机构的设计方法有利于仿生机器人的研究与发展.     

四足机器人腿部机构运动学分析与实现

通过研究犬类骨骼结构,确定了机器人关节数和腿部机构简图,提出一种四足机器人腿部机构运动学分析和实现的方法.对机器人进行运动学建模,借助模型进行了机器人正逆解计算以及求出腿部机构关节转角与电机转圈数之间的关系.借助ADAMS动力学仿真软件,验证单腿机构的运动起立过程和关键参数变化规律,逆向运动学仿真得到了关节扭矩等关键数据,设计了以滚珠丝杆为传动机构的腿部结构.实践表明,该机构的设计方法有利于仿生机器人的研究与发展.     

含四杆机构单元的重载转运机器人构型综合

针对用于轴类物料抓取及卸载的重载转运机器人机构形式单一、转运范围局限大等问题,进行了重载转运机器人新构型的研究。首先分析了重载转运机器人机构的结构特点和工作原理,发现含有四杆机构单元的重载转运机器人具有灵活性高、承载能力大等优势,为构型综合和新方案优选提供依据。其次基于图论对只含转动副的平面机构进行构型综合,得到七杆、九杆机构拓扑胚图,利用胚图插点法对拓扑胚图进行插点,建立拓扑图,进而转化成对应的运动链,得到构型图谱。然后根据重载转运机器人机构中的四杆机构单元和功能构件,对拓扑图进行特定化标记,提出重载转运机器人优选条件,分析和优选特定化标记的拓扑图,得到其最佳构型。最后,利用Adams软件对一种优选机构进行仿真分析,结果表明,该机构在平面运动过程中可以同时实现远距离抓取和大范围俯仰运动,从而验证了该机构构型设计的合理性。     

单自由度八杆仿生机构构型与尺度同步设计方法

单自由度八杆仿生机构杆长参数较多,是仿生机器人领域研究的难点之一。为提高设计效率,提出一种构型与尺度同步设计方法。在选定的运动链和机架的基础上,以不等式形式分步给出运动可行性及外形约束条件,使得上一步的杆长可作为下一步求解的已知值。通过该过程,在得到八杆仿生机构构型的同时,快速得到所有杆长的初步可行域。循环上述过程,逐步缩小约束条件的范围,可使得八杆机构的杆长快速接近目标值。在此基础上,分类讨论了连杆搭接顺序、约束条件及基本运动链的差异对求解难度及构型结果的影响。利用所提出的单自由度八杆仿生机构的设计方法,在对初始条件进行合理选取的前提下,可在初步得到构型的同时将杆长限定在较小范围内,实现了构型与尺度的同步设计。该方法还可应用于其他单自由度机构的设计当中,具有较好的借鉴意义。     

六足机器人整机运动学分析及构型选择

六足机器人整机构型设计和整机运动学模型是机器人样机研制和行为控制的基础。利用GF集理论阐明了六足机器人整机构型设计的实质即为解决机械腿在机身平台上的布局问题,并基于仿生学原理给出了5种整机构型。介绍了一种三自由度并联驱动腿部机构,并利用闭环矢量链及求导的方法建立了基于该腿部机构的六足机器人整机运动学模型。本文给出了六足机器人整机运动学理论及仿真算例,推导出了速度、加速度的理论值及仿真值的拟合图。拟合结果表明:角速度、角加速度的理论值与仿真值的最大误差量级分别为10~(-2)(°)/s和10~(-3)(°)/s~2,验证了理论模型的正确性。基于该理论模型,绘制了不同构型下该并联驱动腿的六足机器人的工作空间分布图,选择了工作空间较大的两种整机构型,并对这两种构型下的六足机器人的运动学性能进行对比分析,选择了一种能够更好发挥该腿部机构综合运动能力的整机构型。本文的研究为该六足机器人的后续研究奠定了理论基础。所使用的整机运动学建模方法对其他六足机器人也实用。     

少驱动六足机器人结构设计与轨迹优化

设计了一种具有良好稳定性和越障能力的少驱动六足机器人。对少驱动六足机器人的整体结构以及行走步态进行了分析,在此基础上建立了机器人足端点轨迹方程,得到了机器人行走和越障时足端点的运动要求。以六足机器人运动平稳性为目标函数,综合考虑杆长条件、传动性能、几何结构、越障条件和边界条件五类约束,建立了机器人足端轨迹优化模型。利用MATLAB优化工具箱的约束非线性函数fmincon对影响少驱动六足机器人足端轨迹曲线的参数进行优化,得到了满足运动特性要求的机器人腿部机构尺寸。通过对优化后得到的足端轨迹的分析,证明了少驱动六足机器人腿部机构的合理性,为后续六足机器人的研究与开发奠定了基础。     

一种四足多模式移动机器人的设计与仿真

为满足在多种地形下更好地完成任务的需求,设计了一种具有行走模式、越障模式和半折叠模式、并可根据不同地形改变运动模式的四足多模式移动机器人。当机器人处于行走模式时,可在普通较平坦路面行走;处于越障模式时,可通过提升腿部高度翻越障碍物;处于半折叠模式时,通过平台的折叠,可缩短轴距,用于较狭窄路况。利用螺旋理论对机构的平台以及腿部进行了自由度分析;运用D-H参数法求解了四足机器人的正运动学方程;利用Adams仿真软件对机器人的3种模式进行了仿真。结果表明,该机器人可完成行走、越障、半折叠平台通过一定宽度通道的任务,实现了机器人的多运动模式。     

面向足式机器人腿部运动的组合机构反求设计

为实现行走机器人的运动需求,并考虑凸轮-连杆机构能够实现复杂的运动轨迹优点,根据行走机器人腿部运动轨迹,开展凸轮-连杆组合机构反求设计。通过复数矢量法对组合机构进行运动分析,利用Newton插值理论获取共轭凸轮输出摆杆的角位移函数,并基于解析法反求凸轮轮廓线方程,最终在MATLAB中实现凸轮轮廓线的绘制。结果表明设计的共轭凸轮-连杆组合机构可满足行走机器人的腿部运动要求。     

一种可重构四足移动机器人的几何约束及其抗倾覆能力

提出了一种在倾倒后具有自我恢复能力的四足并联移动机器人。该四足机器人的腿部结构由一种可重构空间六杆机构构成,该六杆机构由两个改进型球面五杆机构并联而成,具有两种不同的运动位形。其中,运动位形Ⅰ具有1R2T共3个自由度,满足四足机器人对腿部行走机构的自由度需求;运动位形Ⅱ具有2个自由度且工作空间很大,满足其翻身所需要的工作空间条件。运用螺旋理论对球面五杆机构和可重构六杆机构的两种运动位形进行了几何约束分析,这两种运动位形具有互锁性能。运用D-H法对可重构六杆机构进行了逆运动学分析并得到其工作空间,验证了四足机器人翻身的可实现性。分析了四足机器人在翻身时的步态,得出了其在倾倒后自我恢复时腿部电机转动角度与机器人机身重心的关系。在四足机器人的翻身过程中,其腿部的可重构六杆机构均处于运动位形Ⅱ。在Adams软件中验证了预设翻身步态的正确性与合理性。     

基于Pro/MECHAMCA Motion的四足步行机构运动仿真研究与优化

探讨了四足步行机构的行走问题.在Pro/MECHANICA Motion环境下对单腿八连杆机构进行了运动仿真,并且以机构的受力最佳为优化目标,建立了满足约束要求的数学模型,求出了满足结构的杆件参数.     

轮足混合式行走机器人运动学建模与仿真

结合足式机器人与轮式机器人的优点,提出了一种基于2(6-UPUR+3P)混联腿的轮足混合式行走机器人构型,并对该机器人进行了运动学建模与仿真分析.基于螺旋理论建立机器人并联腿部单支链的六维运动螺旋系,基于此得到1阶影响系数矩阵,进而推导出6-UPUR并联腿部的运动学模型;提出了机器人机身姿态调整算法,改善了机器人在静态步行步态下机身运动的平稳性;用Matlab算例仿真与Adams仿真对比验证得出运动学模型的正确性,用Adams/Simulink联合仿真验证得出机身姿态调整策略的有效性,为进一步进行轮足混合式行走机器人控制系统的设计奠定基础.     

单腿八连杆机构足部轨迹与受力研究

探讨了四足步行机器的行走问题.在Pro/MECHANICA Motion环境下对单腿八连杆机构进行了运动仿真,并且以机构的JFI为优化目标,建立了满足约束要求的数学模型,得到了优化的杆件参数.