六足机器人HITCR-Ⅰ的研制及步行实验

针对六足机器人的非结构化地形步行问题,研制了小型六足机器人HITCR-Ⅰ.设计了基于复合四连杆机构的腿部结构,使其具备全方位的运动能力.为了进一步提高机器人的运动性能,构建了描述六足机器人整体灵活度的表达式,并依据表达式进行了结构优化设计.基于"行为"和"功能"的思想对控制目标进行规划,设计了基于"功能-行为"控制体系构架的运动控制器,结合适应非结构化地形腿部运动轨迹的规划和基于局部规则的自由步态生成,实现了非结构化地形六足机器人有效且稳定的步行.最后通过实验验证了六足机器人系统HITCR-I非结构化地形的步行能力.     

面向崎岖地形的六足机器人运动能力分析

对机器人自身运动能力的把握是进行合理运动规划和控制的前提.针对面向崎岖地形应用的六足机器人的运动能力进行分析.首先,介绍了六足机器人平台及其系统设计;然后,分别对六足机器人腿部、由机器人躯干和各支撑腿构成的并联机构进行了运动学建模,并分析了它们的工作空间;最后,基于Adams和Matlab建立了含有梅花桩崎岖地形的六足机器人仿真平台,并进行了六足机器人运动仿真.结果表明:通过结合六足机器人自身运动能力和地形特征进行合理的运动规划,可有效提高六足机器人在崎岖地形下的运动能力.     

仿生六足机器人基于足力分布的位姿调整策略

针对六足机器人非结构化地形稳定步行问题,研究了基于足力分布的位姿调整策略.通过力学分析建立了机器人任意步态模式下的足力分布模型,获得足底受力的平衡关系;采用重心位置调整策略实现了机器人步行过程中的位姿优化,来提高步行稳定性;并且建立了虚拟悬挂模型,采用足力补偿的方法对外界的扰动进行抑制,进一步提高机器人步行的稳定性.通过仿真验证了该调整策略对提高机器人步行稳定裕度的有效性.     

自然地形下六足步行机器人基于落足点的位姿调整策略

以搭载双目视觉系统的六足步行机器人HITCR-II为研究对象,根据选取的落足点,设计了机器人兼顾运动效率和稳定性的位姿调整策略。通过足端轨迹规划和机器人逆运动学算法求得各个关节的运动轨迹,在Adams中对机器人在自然地形中行走过程进行了运动学仿真实验。实验结果表明,使用该位姿调整策略,能够使六足步行机器人HITCR-II实现在自然地形下的高效稳定地运动。     

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.     

脊柱型四足机器人粗糙可变地形对角小跑运动控制

为了实现脊柱型四足机器人在粗糙可变地形上的对角小跑运动,在运动学分析的基础上提出了基于中枢模式发生器的控制方法,包括步态规划、地面倾角估计、姿态控制、碰撞反射、踏空反射和侧向步反射6个模块.步态规划生成控制机器人运动的腿部和脊柱关节信号;地面倾角估计估计地形倾角,并根据倾角调节规划的足端轨迹;姿态控制控制机体和地面保持平行并控制机器人的航向角;碰撞反射控制摆动腿在碰到障碍物时可以快速越过并恢复到规划的运动轨迹;踏空反射控制支撑腿在遇到下凹地形时可以快速撑地并恢复到规划的运动轨迹;侧向步反射抵消外力的影响,防止机器人侧向倾覆.通过控制机器人在不同地形运动可以分步调节并确定各模块的控制参数.仿真结果显示,利用提出的控制方法脊柱型四足机器人可以顺利通过包含外力干扰、台阶、斜坡和楼梯的结构化地形,以及由不同角度随机排列直角三角体模拟的粗糙地形、由不同角度随机排列直角三角体和球形颗粒模拟的粗糙可变地形.     

仿生六足机器人面向非结构化地形的落足点选取策略

从地形的局部几何特征入手,提出了仿生六足机器人在非结构化地形下的落足点选取方法.通过对机器人落足原理的分析,结合足端形状提取外部地形的几何特征,设计了选取落足点的效用函数,并通过专家示教对其进行学习;利用支持向量机获得效用函数的数学表达.对模拟地形进行仿真实验,验证了该选取方法对落足点评估的有效性.     

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.     

用多肢体化实现步行机器人的自位机能

实现自位功能是改良非结构环境下步行机器人运行性能和提高其自主行走能力的共性问题，本人多肢体化的角度对步行机器人的自位问题进行了探讨，阐述了具有自位能力的步行机器人的最少机身杆件数和机身杆件间的合理自由度配置方案，分析了机身杆件与腿机构协同工作时的自位行为过程，提出了一处具有自位机能的三肢体六足步行机器人模型。     

四足机器人匍匐姿态设计与仿真

四足机器人采用匍匐姿态前行时具有较高的运动稳定性,在高度受限或地形崎岖等特殊环境下该姿态具有重要的应用价值。通过对四足机器人的运动学建模,设计足端运动轨迹;根据仿生学原理与人类经验,将整个匍匐运动分解为姿态准备阶段与连续运动阶段,并分别设计腿部的运动规律。基于Adams与MATLAB联合仿真平台,对所设计的运动方式进行仿真实验。联合仿真实验表明,所规划的四足机器人匍匐运动方式能有效地降低其机身高度且运动过程中的机身滚转幅度满足其平稳运动要求。