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...     

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。     

基于半圆形柔顺腿的六足机器人研究

由于足式机器人具有适应复杂地形的应用潜力,近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。首先,设计了Rhex机器人的本体结构,其突出特点是具有半圆形柔顺腿,该腿有一个关节,由一个直流电机驱动,结构简单,控制方便。其次,建立了Rhex的SLIP动力学模型,该模型将腿等效为弹簧倒立摆,通过规划髋关节的输出特性,驱动Rhex运动。最后,通过单腿跳跃仿真实验验证了SLIP动力学模型的正确性和有效性。     

足式机器人单腿跳跃仿真与实验

针对跳跃运动足地冲击大的特点,基于仿生学设计一种液压驱动四足机器人单腿,分别建立单腿着地相和飞行相的运动学和动力学模型。为了满足单腿跳跃性能要求和减少足地冲击,提出基于三次曲线轨迹跟踪的跳跃方法。使用MSC.ADAMS和Simulink对单腿竖直跳跃过程进行仿真,并搭建了单腿竖直跳跃实验平台和闭环控制系统。     

液压驱动六足跳跃机器人仿真分析

介绍了一种液压驱动跳跃六足机器人的模型,分别进行了该机器人侧面双腿和正面双腿竖直跳跃运动学分析与动力学分析。采用D-H法,提出了一种液压驱动六足跳跃机器人模型,并建立了其着地和腾空两阶段的运动学分析模型;采用拉格朗日方程分析其动力学,得到了该机器人结构在运动过程中各关节的输出力矩特性。最后基于Adams软件对双腿跳跃六足机构和其质心轨迹进行了仿真,分析了其跃障能力,优化了两种跳跃方式的跳跃倾角,并比较了这两种跳跃方式效率,仿真结果验证了六足机构的运动平稳性,较好的越障能力,侧腿跳效率更优,获得侧面和正面双腿跳跃的最佳倾角,为后续研究工作提供了理论支撑。     

单腿跳跃机器人支撑相的动力学与控制

提出一种新型关节腿仿生欠驱动单腿跳跃机器人机构系统模型.该跳跃机器人模型具有仿袋鼠骨骼结构特征,其机构动力学模型可视为二阶非完整约束系统.由于切换线性控制器只能实现该模型在动态周期运动中的动态稳定,而不能实现站立平衡控制.因此采用积分反步控制方法,使机器人机构模型在支撑相能实现不稳定平衡位置的镇定控制.由于严反馈规范形存在反步控制器设计方法,因此基于动力学非线性规范形综合,将机构动力学模型转化为严反馈规范形,从而使其具有严反馈规范形特征.     

三刚体液压欠驱动跳跃机器人研究

根据袋鼠的结构特点,建立了具有欠驱动关节的液动三刚体跳跃机器人模型,关节处加装扭转弹簧,实现了关节的柔性和储能。建立了机构在着地阶段的欠驱动动力学方程,分析了主被动关节间动力学耦合效应。结合实例求得液压缸驱动力变化规律与机器人理论姿态图。建立实体模型,并运用ADAMS进行欠驱动动力学仿真。结果表明:通过动力学耦合来控制欠驱动关节的位置是可能的,与理论姿态图对比结果也验证了所提出方案的可行性及所建模型的正确性。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.     

仿袋鼠跳跃机器人着地阶段的动力特性研究

根据袋鼠的生理结构及运动特征,提出了仿袋鼠跳跃机器人的单腿模型,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计算了机器人在着地阶段关节力矩和地面作用力随时间变化的规律,并对其进行了分析和讨论.结果表明:踝关节的输入力矩是膝关节的2.5倍,是髋关节的6倍,因此踝关节的驱动力矩是整个机器人完成跳跃的决定因素之一.此动力学研究结果为仿袋鼠跳跃机器人的设计分析及跳跃运动的精确控制提供了理论基础.     

单腿跳跃机器人轨迹规划

将单腿跳跃机器人简化成一个三杆模型,研究机器人跳跃过程中各个关节的运动轨迹问题,并在总结跳跃过程现有轨迹规划方法的基础上,运用参数化优化方法实现关节空间的轨迹规划,优化目标为机器人关节的控制势最小。将跳跃过程分解成开始段、腾空段、站立段和结束段,并对各段的关节轨迹分别优化,最后得到从静止状态开始起跳到着地后恢复至静止状态的整个跳跃过程的关节轨迹。     

液动仿袋鼠弹跳机器人单腿动力学分析及仿真

提出了液压能驱动的仿袋鼠跳跃机器人驱动方案,并采用拉格朗日方法建立了袋鼠四自由度单腿跳跃的动力学方程。在此基础上,依据袋鼠跳跃的运动数据,按照所建立的动力学方程求得了一个运动周期内三个关节液压缸的驱动力的变化规律。建立了仿袋鼠机器人的模型并依据求得的仿袋鼠跳跃机构驱动力的变化规律,进行了运动学及动力学仿真。与袋鼠跳跃运动录像资料所得数据进行了对比分析,证实了所提出的驱动方案的可行性以及所建模型的正确性。     

双臂单腿跳跃机器人控制系统的通信技术研究

通信是制约控制系统性能、影响控制效果的关键技术,而CAN总线本身可以保证通信的快速、实时和强抗干扰能力.但是,CAN协议只定义了物理层和数据链路层,具体的跳跃机器人控制问题上,需要应用层协议来实现.针对一种双臂单腿跳跃机器人,基于CAN总线搭建了上、下位机模式的控制系统,分析了双臂单腿跳跃机器人控制系统功能需求,设计了CAN应用层协议.实验结果证明,应用此应用层协议能够实现上、下位机间准确、高效的通信.     

Dynamics synthesis and control for a hopping robot with articulated leg

To investigate the design and the applications of elastic underactuated mechanisms for improving the energy efficiency of dynamic mechanical systems, the dynamics and control of a one-legged hopping robot with articulated leg is studied in this paper. To ensure the controllability of the elastic underactuated mechanism, a dynamics synthesis method is proposed for designing the underactuated mechanism so that the dynamics of the system can be transformed into the strict feedback normal form. To improve the energy efficiency of the one-legged locomotion system, an optimal motion planning method is presented to optimize the trajectories of the robot joints. A nonlinear controller is proposed to stabilize the hopping robot to its balance configuration in stance phase, and a switched linear controller is proposed to stabilize the continuous hopping movement. The stability of the presented controllers is analyzed in theory and verified by some numerical simulations.     

Design,development and modelling of single actuated,compliant and symmetrical multi link hopping mechanism

Journal of Mechanical Science and Technology - In this study, we present the design and development of a compliant multi-link hopping mechanism actuated by a single DC motor. Mechanism consists of...     

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.     

Compensation of nonlinear dynamics for energy/phase control of hopping robot

Hopping height control is one of the difficult problems in legged control. Many kinds of research employ a leg spring for the supplement of energy, and model the robot as a spring-mass model. Feedback linearization enables to cancel the nonlinear terms theoretically. However, it is difficult to identify the nonlinear terms including the parameters precisely in the real world.This paper nominalizes the robot dynamics as the desired spring-mass system applying a disturbance observer. In order to realize the desired characteristics of the spring and the mass, the disturbance including the nonlinear terms is rejected firstly by a disturbance observer. To make the mass in the workspace as constant, the nominal inertia of the disturbance observer in the joint space is varied. Next, by adding the desired virtual elastic force, the robot dynamics is nominalized as the desired spring-mass system.Based on the nominalized spring-mass dynamics, hopping-height control using energy/phase control is implemented. While energy control is often used for hopping height control, the energy/phase control enables the hopping-height control and the spring-mass oscillation simultaneously.Constant hopping-height and stepwise hopping height are realized experimentally through the proposed control method. The simulations in the case of the ideal dynamics are also conducted for comparison.     

液压作动的四足机器人动力学分析及运动仿真

采用液压能代替传统的电能驱动机器人,其功率密度高、控制算法简单,可以克服电机输出转矩小的问题,使得机器人负重成为可能。文中建立了2自由度单腿的拉格朗日动力学方程,进行运动学反问题的求解,得到了在一个运动周期内两液压缸的驱动力的变化规律,并利用三维造型软件SolidWorks和动力学仿真软件ADAMS进行仿真,为负重机器人的结构优化和后续研究工作提供了有价值的参考。     

仿蝗虫跳跃机器人起跳过程运动学建模及分析

根据蝗虫的身体构造及跳跃运动的特点,提出了仿蝗虫间歇跳跃机器人的机构模型。在建模时,将该模型抽象为平面刚性连杆机构,采用机器人运动学分析的D-H法,建立了各构件之间的运动学关系。基于跳跃运动的力学原理,采用关节轨迹规划的方法,分析了起跳过程中各杆件的位姿变化,并仿真了其起跳过程,证明了分析方法的可行性。研究了关键因素对跳跃性能的影响,为进一步分析及机器人的详细设计奠定了理论基础。     

基于低通滤波器的跳跃机器人滑模控制

针对单关节跳跃机器人的轨迹跟踪、速度跟踪和振动问题,提出一种基于低通滤波器的滑模控制算法。基于Lynapunov算法设计滑模控制律,并对该算法进行了稳定性分析。利用MATLAB对单关节跳跃机器人的控制器进行了动态仿真,仿真结果表明:该算法能够快速地实现单关节跳跃机器人的位置跟踪和速度跟踪,并且相比未加入低通滤波器的单关节跳跃机器人,加入低通滤波器的单关节跳跃机器人能很好地抑制抖振,从而提高了机器人的工作品质。     

Design and simulation for a hydraulic actuated quadruped robot

This paper describes the mechanical configuration of a quadruped robot firstly. Each of the four legs consists of three rotary joints. All joints of the robot are actuated by linear hydraulic servo cylinders. Then it deduces the forward and inverse kinematic equations for four legs with D-H transformation matrices. Furthermore, it gives a composite foot trajectory composed of cubic curve and straight line, which greatly reduces the velocity and acceleration fluctuations of the torso along forward and vertical directions. Finally, dynamics cosimulation is given with MSC.ADAMS and MATLAB. The results of co-simulation provide important guidance to mechanism design and parameters preference for the linear hydraulic servo cylinders.