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.     

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.     

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.     

上肢康复机器人机构设计与分析

针对上肢功能障碍患者的自主康复训练问题,在对现有康复机器人研究方案的深度剖析的基础上,为简化机构降低成本,提出了一种基于气缸驱动的2自由度上肢康复机器人.首先在SolidWorks建立上肢康复机器人的整体模型,通过D-H分析法建立坐标系,求得系统正运动的参数方程,利用Matlab对该机器人末端机构的位置进行分析,其次运用雅克比矩阵求解末端执行器的速度,结合ADAMS对建立的上肢康复机器人模型进行运动学仿真分析,最后在ANAYS中对大臂支撑件和小臂支撑件进行静力学分析.研究结果表明,该上肢康复机器人机构在简化结构后,仍然能保证康复训练的可行性,为上肢机器人的推广使用提供了理论参考.     

3-PPRR并联分拣机器人机构的运动学建模与仿真

对具有空间三平移自由度的3-PPRR并联分拣机器人进行运动学分析.基于机构的运动约束方程,求得机构的位置逆解的解析表达式.使用牛顿迭代法得到该机构的位置正解的数值解,并通过算例验证了其正确性;建立了机构输出运动参数与输入运动参数之间的速度和加速度关系的数学模型,得到机构速度、加速度正反解;通过在ADAMS中的运动仿真对所规划的运动轨迹进行验证.     

液压足式机器人单腿等效模型的柔顺性弹跳研究

基于弹簧负载倒立摆的足式机器人单腿等效模型是移动机器人领域重要的步态分析模型. 液压足式机器人由于其超强的负载能力以及高动态性能而越来越受到重视. 液压驱动的弹簧负载倒立摆模型作为液压足式机器人关节型机械腿的单腿等效模型,对于液压足式机器人的步态研究具有重要的意义. 本文考虑液压驱动的弹簧负载倒立摆单腿等效模型的单自由度弹跳问题,提出了一种基于主动柔顺的弹跳控制方法,依次对单腿等效模型着地相下降阶段和着地相上升阶段进行独立控制,仿真分析了相关系统参数对弹跳性能的影响,实际弹跳实验表明本文提出的方法能够减小着地冲击力,同时能够对弹跳高度进行有效控制.      

蠕动转向关节动力学建模与分析

为确立拱泥机器人蠕动转向关节的运动关系,提出了可实现直行和转向运动的3自由度并联机构动力学模型.基于对3-UPS并联机构运动特性的分析吗,首先建立了3-UPS运动学模型,得出3-UPS并联机构动平台和各支链的速度以及加速度关系式.基于Lagrange方程建立3-UPS并联机构的动力学模型,确立了系统的驱动力、驱动力矩以及各个支链主动杆的驱动力.利用Matlab软件对其动力学模型进行仿真分析,得到的驱动力和驱动力矩变化曲线为拱泥机器人控制系统设计提供了技术支撑.也为少自由度并联机构动力学分析提供参考.     

用于飞机装配的3-SPR机构运动学与奇异分析

针对飞机柔性装配系统高精度、大作业空间的要求,以3-SPR并联机构为研究对象,运用螺旋理论分析该机构的自由度特性并建立约束螺旋,进而求得机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,明确机构的奇异位形。根据并联机器人机构学理论建立该机构的位置逆解模型,推导出位置逆解的显式解答。利用运动仿真软件对机构进行运动仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

用于飞机装配的3-S—R机构运动学与奇异分析

针对飞机柔性装配系统高精度、大作业空间的要求,以3-SPR并联机构为研究对象,运用螺旋理论分析该机构的自由度特性并建立约束螺旋,进而求得机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,明确机构的奇异位形。根据并联机器人机构学理论建立该机构的位置逆解模型,推导出位置逆解的显式解答。利用运动仿真软件对机构进行运动仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

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。     

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。     

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。     

离散化四足机器人自由步态控制方法

为了实现离散化四足机器人自由步态的控制,提出一种新的基于中枢神经模式发生器(CPG)的自由步态控制方法。介绍了离散化四足机器人模型,在已确定的地形中,设定四足机器人起始点与抵达点的状态。将连续步态按照离散化步态完成排序,形成排序集合。在此基础上,利用中枢神经模式发生器CPG,采用周期性振荡信号对离散化四足机器人腿部各关节进行控制,给出单独神经元模型。为了便于分析,使用互抑神经元构成的振荡器对神经元的输出信号进行改善,通过该振荡器产生规律的振荡信号,以控制离散化四足机器人完成自由步态移动。实验结果表明,所提方法能够有效控制离散化四足机器人实现自由步态移动。     

液压四足机器人关键步态参数优化

针对四足液压仿生机器人walk步态中足端轨迹规划问题,提出了通过优化步高和步长这两个关键步态参数来提高机器人行走稳定性的方法。通过聚合交叉的方法进行实验设计,用速度和步长及仿真得到的评价函数值进行三维曲面拟合,用速度截取所拟合的曲面得到不同速度下的最优步长。较优的步高确定采用二分法。步高和步长的优化效果用评价函数和Adams仿真进行验证,其中评价函数的构造充分考虑了表征机器人机身姿态平稳性的多组参数;四足机器人行走的仿真实验表明使用所述方法优化后的步态参数进行足端轨迹规划,得到的机器人静步态具有优异的运动性能表现。      

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.