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.      

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.     

液压四足机器人单腿的分数阶虚拟模型控制

虚拟模型控制广泛用于四足机器人的运动控制器设计中. 提出了一种分数阶虚拟模型控制器,在保证四足机器人柔性触地的同时,提高四足机器人小跑运动中单腿轨迹跟踪的精确性和鲁棒性. 介绍了关节液压缸力控制系统的频域建模过程及基于非线性寻优法的单腿虚拟模型控制器的参数整定,并通过实验对比了分数阶虚拟模型控制和传统虚拟模型控制在四足机器人小跑运动中单腿的控制效果,证明了分数阶虚拟模型控制对单腿轨迹跟踪性能的改善作用.      

具有柔性关节的四足机械腿设计与分析

为解决四足机器人驱动单元功率密度低的问题,借助串联弹性机构的能量放大作用,设计出一款具有串联弹性、适用于四足机器人腿部构型的电驱动柔性关节,并据此柔性关节设计制作了具有柔性特性的四足机器人单腿样机.为研究柔性机械腿能量运用情况,提出一种简化的柔性单腿跳跃模型,对单次跳跃过程中从屈膝静止到跳离地面过程建立了运动学微分方程,应用解析法进行求解,分析了串联弹性能量放大作用在足式机器人中的应用,同时通过分析驱动单元功率曲线,揭示了能量放大实现机理.利用足式机器人单腿垂直跳跃实验平台完成单腿样机跳跃过程的初步实验,验证了柔性在四足机械腿中的能量放大作用.     

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.     

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.     

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。     

四足机器人坡面行走稳定性分析

为了提高四足机器人坡面行走的稳定性,四足机器人的小腿采用液压缸,并提出了通过增大机器人后腿小腿腿长和减小前腿小腿腿长的方法,使机器人质心向前移动,从而提高坡面行走稳定性.对四足机器人进行了运动学分析,计算了四足机器人前腿和后腿小腿腿长的调整量与坡面倾斜角度的关系.利用Adams和Matlab,对四足机器人进行了联合仿真.仿真结果表明,四足机器人能够以trot步态在坡面上稳定行走,验证了四足机器人质心调整方法的有效性.     

输电线巡检机器人位姿变化的柔性关节控制策略

为降低输电线巡检机器人的柔性关节输出速度的波动程度，采用极点配置方法设计柔性关节伺服驱动系统控制器参数.该参数的选择随机器人位姿变化而变化，从而使机器人柔性关节伺服驱动系统能够获得平稳的输出速度.首先建立了机器人柔性关节伺服驱动系统动力学方程，并求得电机转速到电机电磁转矩的传递函数；接下来将PI控制策略应用于柔性关节伺服控制，求得控制系统闭环传递函数；然后采用相同阻尼系数的极点配置策略设计控制器参数；最后开展了巡检机器人越障情况下变位姿工况的柔性关节控制实验，结果说明可通过适当选择极点配置参数使柔性关节获得良好的输出速度.     

四足机器人对角小跑步态控制策略分析

基于动力学模型的四足机器人运动控制,难以实现适应非结构化环境的稳定步行.开展了基于中枢模式发生器控制策略的四足机器人对角小跑步态仿真分析与实验研究.采用正弦函数规划了四足机器人的足端期望轨迹,采用D-H坐标法进行四足机器人腿摆动相和支撑相的运动学分析,由运动学逆解获得四足机器人足端期望轨迹和关节角位移间的关系.设计了中枢模式发生器的神经振荡器控制器,建立由兴奋神经元和抑制神经元组成的振荡单元模型,输出振荡波控制四足机器人髋关节和膝关节.通过开展四足机器人对角小跑步态步行仿真和实验研究,验证了理论分析和控制方法的正确性,为提高四足机器人机动性奠定基础.     

液压四足机器人新型腿结构设计与性能分析

为实现机器人的高负载、不平地面的高适应性运动要求,设计了一种新型的液压四足机器人腿结构。提出了腿模块机构,是带有平行四边形结构的四连杆腿模块机构,与传统的曲柄滑块四连杆机构进行了运动分析比较。基于MATLAB的SimMechanics软件模块,进行了仿真分析。结果表明带有平行四边形结构的四连杆腿模块机构具有较好的传动性能,该种腿结构的液压缸运动更为平稳,可确保机器人整体性能的优越性,为液压驱动的足式机器人腿结构设计提供新的设计途径。     

四足机器人刚柔耦合仿生脊柱研究进展

 四足机器人的仿生脊柱对提高机器人非结构化环境的机动性和稳定性具有重要作用。系统分析了国内外四足机器人仿生脊柱的研究现状,将仿生脊柱分为局部柔顺脊柱和整体柔顺脊柱两类,对比分析不同四足机器人仿生脊柱的结构特点,提出未来发展趋势。四足机器人仿生脊柱从传统的整体刚性结构向刚柔耦合结构方向发展,具有类生物变刚度、可柔顺弯曲特性的新型仿生脊柱突破仿生驱动、神经元精细控制等关键技术,向高效能量转换的类生物系统方向发展。     

液压四足机器人髋关节的鲁棒自适应动态面控制

液压四足机器人髋关节由伺服阀控缸系统构成,是机械腿的关键组成部分.它的控制性能直接影响着机械腿甚至机器人的运动控制精度.因为髋关节工作情况的复杂性和阀控缸系统自身的非线性,使得传统控制算法无法满足机器人运动性能指标的要求.由此,本文对液压四足机器人髋关节伺服阀控缸系统的控制方法进行了研究.首先通过对髋关节工作条件的分析完成了伺服阀控缸的数学建模,然后基于鲁棒自适应动态面的控制算法设计了伺服阀控缸系统的控制器,并从李雅普诺夫稳定判据的角度证明了系统的稳定性.最后通过Matlab与AMESim的联合仿真,对鲁棒自适应动态面与传统PID及普通动态面的控制效果做出对比,证明了所研究算法的有效性.      

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.     

基于对角步态下的液压4足机器人能耗研究

移动能耗是液压4足机器人的一项重要性能指标,因此,对不同步态参数下液压4足机器人的移动能耗分析研究具有重要意义. 文中对液压4足机器人进行运动学和动力学建模,利用运动学和动力学模型,根据机构的几何关系得到液压缸运动状态. 规划了摆线函数和三次曲线函数在对角步态下的足端轨迹,对比分析了两种足端轨迹的能量消耗,着重研究了不同步幅、步高、入地角度、周期大小、约束角度以及斜坡角度对移动能耗的影响. 研究结果表明,综合考虑系统的稳定性、冲击力以及速度要求,应选择相对较大的步幅、较大的周期以及较小的入地角度,在满足跨越障碍的情况下,应选择低步高,对整个周期能耗进行考虑,应选择约束入地角度.      

四足机器人电驱关节用轴向磁通永磁电机设计

针对现有四足机器人电驱关节用径向磁通永磁电机存在轴向尺寸长、转矩密度低的缺陷,基于电驱关节对电机的性能指标要求,提出了一种采用双定子单转子结构的轴向磁通永磁同步电机电磁设计方案。采用Maxwell软件建立了电机的三维有限元模型,进行了电磁仿真分析。仿真结果表明：轴向磁通永磁电机额定功率为260 W,额定输出转矩为2.53 N·m,电机效率为85.36%;峰值功率为630 W,峰值转矩为7.52 N·m,仿真结果满足电机性能指标要求。对轴向磁通永磁电机与径向磁通永磁电机在相同工况下的转矩进行分析,轴向磁通永磁电机输出转矩高于径向磁通永磁电机。该轴向磁通永磁电机电磁方案为四足机器人电驱关节用电机的高转矩密度、高功率密度设计提供了新的思路。     

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.