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.      

四足仿生机器人单腿结构设计与仿真

借鉴四足哺乳动物腿部的解剖学成果,确定机器人仿生单腿的3自由度配置。通过对腿部的运动学分析,建立四足机器人单腿运动学方程,仿真分析了足端运动范围,验证腿部结构设计的合理性和有效性。     

单自由度四足机器人腿部行走机构分析

本文介绍了由切比雪夫四杆机构和平行四边形缩放机构组成,衍化得到的一种单自由度四足机器人的腿部行走机构。首先建立平面坐标系并利用解析法,根据腿部机构简图建立相应的数学模型,得出该机构的运动学方程。其次,在机构分析SAM环境下对该腿部机构进行运动仿真分析,得到足端轨迹图,并改变腿部机构中变量大小观察足端轨迹的变化。最终确定了方案的可行性以及机构设计的合理性。该机构提出了一种成本低,节约能源的,易于实现的单自由度四足机器人的腿部机构。     

基于封闭矢量法和D-H法的四足机器人逆运动学分析

为提高四足机器人的运动速度和仿生程度，设计一种新型的具有柔性腰的四足机器人，提出该柔性腰具有三个自由度，对该新型四足机器人进行自由度分析，并用螺旋理论来分析腰部的运动原理和验证自由度。运用封闭矢量法和Denavit-Hartenberg连杆坐标描述法求得柔性腰和单腿逆运动学分析，并用算例证明该算法的正确性。结果表明该算法计算和逻辑简单，便于理解和掌握。本研究为该新型具有柔性腰的四足机器人的工作空间、速度、加速度、机构优化和系统控制等的进一步研究奠定了基础。     

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.     

基于移动变长倒立摆的四足机器人对角支撑的稳定性控制

四足机器人系统复杂,运动自由度多,其动态稳定性一直是机器人控制领域的难点与热点。为使四足机器人能够在复杂多样的自然环境中运动自如,针对四足机器人特殊的对角双足支撑动态稳定性问题进行探究。将足式机器人简化为可移动变长倒立摆模型,对其进行运动学和动力学分析,设计了一种运动稳定控制算法,使四足机器人能在对角双足支撑的情况下保持稳定,在受到外力的干扰时可自动调整,并再次恢复到平衡稳定状态。以搭建的四足仿狗机器人为实验平台,开展了对角支撑的平衡实验,实验结果表明四足机器人能够在对角支撑下精确控制自身的稳定,验证了该控制算法的可行性,为后期四足机器人动态稳定性行走奠定重要基础。     

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.     

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.     

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.     

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。     

一种四足机器人机构及运动学研究

四足机器人凭借离散式的支撑方式,具有比轮式和履带式机器人更强的非结构化环境适应能力,在抢险救灾、星际探索、军事反恐等领域具有广阔的应用前景。针对四足机器人运动的低惯性、高稳定性等性能需求,以德国牧羊犬为仿生对象,开展了基于连杆机构的四足机器人机构及运动学研究。通过对移动步态的研究,为满足机器人快速移动的需求,确立了以对角步态为主要移动方式。最终,搭建实体样机,通过实验验证了机构设计及步态规划的有效性,满足机器人运动的稳定性及适应性。     

对仿猫跳跃机器人起跳过程中腰部作用的分析

家猫灵活善跳,分析其跳跃规律可为腿型跳跃机器人的设计提供灵感。以能模拟家猫跳跃的仿猫机器人为模本,对其进行结构简化并进行动力学和运动学分析,得到其腰部力矩随时间变化规律,以此分析其腰部在起跳过程中的作用。从能量角度分析起跳时腰部初始夹角与到达特定起跳姿态机构所需做功关系,并对比了有无腰部辅助跳跃时的区别。分析结果说明了腰部在起跳准备阶段的姿态调整对提高效率的作用,证明了有腰部辅助跳跃的机构相比于无腰部辅助跳跃的机构更加灵活高效。     

四足机器人坡面运动时的姿态调整技术

提出了一种四足机器人对脚小跑步态下的坡面运动姿态调整策略.采用复合摆线对机器人足端轨迹进行规划,以减小足端在换相点处与地面间的瞬时冲击;以机器人质心在斜面上的落点到支撑线的距离为判据进行四足机器人坡面运动稳定性分析,得到其姿态调整的确定值.在Adams中建立了四足机器人的虚拟样机模型并进行了仿真试验,试验结果证实所提出的姿态调整策略对提高四足机器人坡面运动稳定性有效.      

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。