变刚度四足机器人的连续型仿生脊柱设计

为提高四足机器人面对广域地形环境的机动性和适应性,设计一种可变刚度的连续型仿生脊柱。采用金属构件作为脊柱的连接件和支撑件,模拟猎豹的脊柱骨架;使用钢丝绳传动作为主动力驱动,模拟生物肌肉纤维的发力;在脊柱板之间设置不同刚度的弹簧模拟肌腱的储能与释能功能。通过建立静力学模型研究负载及绳驱动拉力对脊柱的影响。研究结果表明：采用的连续型构型为四足机器人躯干在上下弯曲方向提供了灵活性,并使负载施加的力沿脊柱方向分散,减小脊柱的损耗;脊柱可以实现躯干部分整体弯曲与回复,最大弯曲角度达到25°。变力恒载实验中,0 kg和30 kg负载下,仿真结果和实验结果的模型末端位置相对误差分别为2.71%和4.00%;恒力变载实验中,750 N和1 400 N拉力下,仿真结果和实验结果的模型末端位置相对误差分别为4.25%和2.79%。脊柱的响应频率可以达到1.62 Hz,变刚度试验测得的等效弯曲刚度范围为4.70～51.36 N/mm,最大负载为334.9 N,可以满足四足仿生机器人在广域地形的应用需求。     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析

仿生设计一款小型的单腿具有四自由度的仿生四足机器人,开展机器人运动学正逆解分析。基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式芯片建立了机器人控制系统。该控制系统以半双工串口通讯方式向各个关节数字舵机发送步态数据包,控制舵机转动角度值,从而精确地控制四足机器人的稳定协调运动。实验结果表明:机器人在行走过程中机身的横滚角、俯仰角、偏航角(RPY角)变化较小,运动较为平稳,验证了机器人运动学正逆解准确性;以及所设计的嵌入式控制系统能较为精确地控制四足机器人运动,实现稳定的四足行走。该小型的嵌入式控制系统具有运算处理速度快、外设可扩展性和存储能力强的优点,满足仿生四足机器人智能算法、低功耗运动要求。     

仿生机器人步态规划与控制系统设计

文章分析了六足仿生机器人典型直线行走步态和定点转弯步态,给出了不同步态下的机器人落足点的位置矢量表达式.根据六足步行机器人的机械结构和关节运动的协调性、准确性的控制要求,确定六足仿生机器人控制系统的设计,实现了六足仿生机器人按步态规划运动,通过测试,验证了整体设计方案的正确性和可靠性.     

基于力控制模式的四足仿生机器人的动力学仿真

针对四足仿生机器人,研究了基于力控制模式下的四足仿生机器人的动力学仿真实现方法.首先利用虚拟现实建模语言对四足仿生机器人进行仿真模型的建立和有关参数的定义;然后对四足仿生机器人按照空间向量代数建立运动学方程;接着,采用迭代牛顿-欧拉算法对四足仿生机器人进行逆动力学分析,以求得在力控制模式下的动力学仿真所需的各关节驱动扭矩,并建立了基于机器人中间件的动力学仿真系统.最后,通过四足仿生机器人在对角小跑步态下的动力学仿真实验,验证了该方法的有效性和实用性.     

仿生甲虫六足机器人结构设计与步态分析

在分析仿生甲虫生物原型的特点及运动机能的基础上,进行了仿生甲虫六足机器人的结构设计与样机设计,运用机器人的结构仿生和功能仿生原理,基于甲虫原型设计了六足机器人,给出了每足3自由度的机器人结构。原型样机是以身体纵向中心线为对称的八边形设计,6条腿均布身体两侧,所有腿关节均由伺服电机驱动,关节间连接构件采用性能良好的合成塑料代替金属构件,设计从结构上保证了仿生机器人能够有效地模拟甲虫的运动能力。通过对仿生甲虫机器人三足运动步态,特别是直线行走步态和定点转弯步态的分析,给出了直行和转弯动作时6条腿的末端位置矢量表达式,利用SOLIDWORKS和ADAMS软件进行了机器人运动仿真,结果证明仿生甲虫机器人运动平稳,满足设计要求。     

基于SCS的四足仿生机器人运动仿真平台

SCS(Simulation Construction Set)是Yobotics公司开发的对机械设备、仿生机械系统等复杂的多刚体系统进行运动仿真的软件包.基于SCS开发出一套面向四足仿生机器人的专用运动仿真平台,包括四足仿生机器人机构建模、基于VMC(Virtual Model Control)的动力学建模、地面接触模型及环境建模和数据处理模块设计.利用该仿真平台对一款16自由度四足仿生机器人的动态行走进行了仿真.结果表明:仿真过程流畅、快速、机器人行走平稳,验证了该仿真平台的实用性和可靠性.     

基于类蜘蛛仿生煤矿救灾机器人步态研究

基于类蜘蛛仿生多足煤矿救灾机器人是一种具有冗余运动、多支链、时变拓扑运动机构的特种机器人,利用类蜘蛛仿生煤矿救灾机器人模仿了蜘蛛的行走特点,遵循蜘蛛行走时的摆腿顺序,在不同情况下设计不同的摆腿行走顺序,使煤矿救灾机器人的灵活性以及对复杂环境的适应性大为增强,能够快速灵活的进入煤矿巷道中,对巷道中的复杂情况进行及时了解并及时处理.通过对机器人学的研究,能更好的符合仿生学的发展方向和趋势,使步态模仿蜘蛛法达更加合理稳定的效果,进一步提高机器人的行走速度,缩短救援时间,加强救援能力.     

仿生自主运动的六足机器人的设计与实现

腿足机器人是移动机器人领域的重要研究方向。与其他类型的移动机器人相比,腿足机器人在非结构环境中进行野外探测,灾区救援和粗糙道路交通运输上有着显著优势。该文基于仿生运动学和图像处理算法进行设计六足机器人可以实现通过手机控制六足机器人行走,可以实现通过WiFi进行机器人与手机的通信,实现机器人跟随发送的指令进行相应动作。系统稳定可靠。     

基于探索者平台的多足仿生机器人实验研究

随着仿生机器人技术的不断进步,其应用领域越来越多。以"探索者"模块化机器人平台为基础,探索多足仿生机器人的运动控制规律,首先,对探索者机器人实验平台的组成进行了介绍;其次,根据仿生机器人的行走原理来构建仿生四足机器人3D模型,并进行实物搭建;最后,通过对蜥蜴的肢体运动规律进行研究,利用编程实现机器人对蜥蜴步态的模拟。     

Analysis on pivot turning of quadruped robot with bionic flexible body driven by the PAMs

The pivot turning function of quadruped bionic robots can improve their mobility in unstructured environment.A kind of bionic flexible body mechanism for quadruped robot was proposed in this paper,which is composed of one bionic spine and four pneumatic artificial muscles （PAMs）.The coordinated movement of the bionic flexible body and the leg mechanism can achieve pivot turning gait.First,the pivot turning gait planning of quadruped robot was analyzed,and the coordinated movement sequence chart of pivot turning was presented.Then the kinematics modeling of leg side swing and body bending for pivot turning was derived,which should meet the condition of the coordinated movement between bionic flexible body and leg mechanism.The PAM experiment was conducted to analyze its contraction characteristic.The study on pivot turning of the quadruped robot will lay a theoretical foundation for the further research on dynamic walking stability of the quadruped robot in unstructured environment.     

仿猎豹四足机器人结构设计与分析

为满足四足机器人高速奔跑运动性能所要求的脊椎具有柔性和腿结构具有良好的缓冲性能要求,在仿猎豹四足机器人上设计了一种液压驱动的柔性脊椎和腿结构.该脊椎是变截面梁,中间有柔性.该腿结构有髋关节和膝关节,有3个自由度,髋关节有2个主动自由度,即侧摆自由度和俯仰自由度,膝关节具有被动的俯仰自由度.对该脊椎进行了力学分析,对该腿结构进行了刚度特性分析和运动学分析,并对机器人进行了Bound步态仿真.仿真结果表明,这种具有柔性脊椎和非线性刚度变化的腿结构的仿猎豹四足机器人,能够以Bound步态实现较快的稳定奔跑,且足端接触力较小,由此验证了柔性仿猎豹四足机器人脊椎和腿结构的设计是有效的.      

一种基于柔性腿部与主动腰部的仿猫四足机器人设计方法

目前大多数四足机器人以刚性腿部结构设计而成,部分机器人加入了单一自由度的腰部实现单方向的运动,但是总的来说都难以实现动物腿部肌肉、腰、脊椎关节的柔性运动。在四足动物中,猫拥有极强的运动灵活性。为更好地模拟猫的运动特性,参照猫的腿部骨骼结构和柔性组织,提出了一种具有柔性腿部和主动腰部的仿猫四足机器人设计方法。首先,从仿生学的角度研究猫的生理结构和运动方式,设计了包含弹簧-阻尼器系统四杆机构的柔性腿部,转动灵活且工作稳定的主动腰部和带有脊柱固定系统的前后躯干。同时,使用有限元分析工具对受力情况复杂的关键零件进行强度与刚度优化。之后,开发了运用新设计的仿猫四足机器人原型机,通过运动仿真软件配合原型机,进行了Trot步态行走、跳跃、落地缓冲和越障等实验。实验结果表明,相较传统的刚性腿部结构和单自由度腰部,应用该设计方法的四足机器人在运动性能方面有着显著优势,充分验证了其可行性与有效性。研究结果为四足机器人的设计提供了一种新的解决方案并给出了其理论依据和参考设计实例。     

具有柔性脊椎的四足机器人奔跑运动分析

为了提高四足机器人的奔跑性能,设计了一种具有柔性脊椎的四足机器人.该柔性脊椎由两个平行橡胶棒和一个驱动液压缸组成,通过控制驱动液压缸的伸缩可使两个平行橡胶棒实现上下弯曲.分析了该四足机器人的柔性脊椎对奔跑步长的影响.基于Hopf模型的CPG控制方法,推导了髋关节和膝关节的关节驱动曲线幅值的表达式,并通过网络拓扑结构的重建将脊椎驱动信号与各腿部关节驱动信号进行耦合.最后利用Adams和MATLAB/Simulink对四足机器人进行了bound步态仿真,仿真表明具有柔性脊椎的四足机器人奔跑性能显著提高.     

四足机器人新型节能腿的设计与分析

分析了生物狗后腿的结构特点,提出了一种大腿和小腿呈一体化的柔性节能腿结构,只需在髋关节处施加驱动即可实现四足机器人小跑(trot)步态.对提出的模型进行了动力学分析并通过ADAMS仿真平台进行了仿真.仿真结果表明,此种结构的四足机器人可以实现稳定快速的trot步态,相对于普通髋关节和膝关节同时驱动的四足机器人,该模型的髋关节驱动力矩和驱动功率明显减小,足端接触力明显降低,能耗降低明显,缓冲性能好,证明了四足机器人新型腿结构设计的合理性.     

Stability margin of the quadruped bionic robot with spinning gait

Spinning gait is valuable for quadruped robot, which can be used to avoid obstacles quickly for robot walking in unstructured environment.A kind of bionic flexible body is presented for quadruped robot to perform the spinning gait.The spinning gait can be achieved by coordinated movement of body laterally bending and legs swing, which can improve the mobility of robot walking in the un-structured environments.The coordinated movement relationship between the body and the leg mechanism is presented.The stability of quadruped robot with spinning gait is analyzed based on the center of gravity ( COG) projection method.The effect of different body bending angle on the stabili-ty of quadruped robot with spinning gait is mainly studied.For the quadruped robot walking with spinning gait, during one spinning gait cycle, the supporting polygon and the trajectory of COG pro-jection point under different body bending angle are calculated.Finally, the stability margin of quadruped robot with spinning gait under different body bending angle is determined, which can be used to evaluate reasonableness of spinning gait parameters.     

可重构四足机器人的结构设计与协同导航算法

可重构足式机器人作为移动机器人的一个重要分支,具有承载能力好、运动灵活、适应性强等特点。综合变胞Metamorphic理论和机器人驱动技术,设计一种自由切换形态的足式机器人,可广泛应用于校园、工厂等复杂场景的物流工作。提出不同形态间的切换方案,针对倾覆后的翻身动作提出对应的方案,可以适应复杂的任务。设计场景中包含动态行人的协同导航算法,采用时空-图注意力神经网络对机器人节点和行人节点进行建模,并从历史轨迹中提取出行人和机器人的潜在特征,通过实验验证算法的可行性,实验结果证明了该算法具有更好的行人未来轨迹预测能力。     

奔跑四足机器人腿结构设计与分析

针对四足机器人奔跑运动对腿结构高缓冲性能的要求,基于动物狗前腿的骨骼-肌肉生物力学特性,设计了一种奔跑四足机器人的腿结构.该腿结构有3个关节,具有3个自由度,髋关节、膝关节具有主动的俯仰自由度,踝关节具有被动的俯仰自由度.对该腿结构进行了动力学分析和刚度特性分析,并对机器人进行了bound步态的仿真.仿真结果表明,该腿结构能够实现四足机器人快速、稳定地奔跑,关节驱动力矩较小,验证了该腿结构实现四足机器人bound步态奔跑的可行性和合理性.