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.     

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.     

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。     

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.     

步行机器人缩放式腿机构参数的选择法

本文从机构传动性能的角度出发,对步行机(亦称步行机器人)缩放式腿机构与足的运动空间进行了分析,给出了当足的实用运动空间为最大时,机构参数的确定方法。     

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.      

基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性，利用向量代数方法，对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析；根据有限元形函数理论，建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法；在几何运动学分析的基础上，基于力矩平衡原理，分别进行正向与逆向动力学分析；利用线性变换原理并结合传递矩阵法，建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型，并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型，进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明，所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。     

基于仿生研究的步行机缓冲型腿机构设计

基于仿生研究成果设计出一种含有弹性元件的缓冲型腿机构，分析其工作原理和参数选择原则，具有结构简单、性能可靠的优点．对比分析了几种设计方案的刚度随着压缩量的变化情况．这种具有非线性刚度变化的腿机构初步解决丁机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，使机器人在高速行走时得到缓冲并达到节能，提高了机器人的能效，从而得到一种适合于动态步行机器人的缓冲型腿机构．这种腿机构不仅适用于实现动态行走的四足步行机器人，也可适用于高速步行下的多足机器人。     

液压足式机器人单腿变刚度控制弹跳研究

液压足式机器人由于其负载能力强,动态性能优越得到广泛的关注。针对液压足式机器人能量调节及其单腿弹跳运动控制问题,将液压足式机器人单腿等效为弹簧负载倒立摆（SLIP）模型,并提出了一种主动变刚度的控制策略,可以使液压足式机器人单腿在着地时刻进行能量调整,并使其达到期望的弹跳高度。实验结果表明,本文提出的控制方法可以实现液压足式机器人单腿稳定弹跳,并有效控制弹跳高度。      

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。     

四足步行机器人中一种新型腿结构缓冲特性

四足步行机器人在高速步行时,地面对其产生了很大的冲击,引入弹性步行机构是减少冲击的关键．将一种新型弹性步行机构应用于四足步行机器人中,分析其工作原理,并研究其控制电路．进而以Ｐａｃｉｎｇ步态为例,对弹性步行机构的缓冲和储能功能进行了理论探讨和实验分析,并在对刚性腿和弹性腿对比研究的基础上,指出将弹性步行机构应用于四足步行机器人具有独特的优越性．     

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.     

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.      

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。     

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.      

4足机器人腿部机构运动学分析及步态规划

为提高足式机器人的承载能力与运行稳定性,提出了一种基于3UPR并联机构的4足机器人,并对其运动性能进行分析. 运用螺旋理论对该机构进行自由度分析,通过位置反解模型对机器人腿部机构进行运动学分析,得到驱动进给量和驱动速度. 通过ADAMS仿真与理论计算结果的数据对比,验证模型建立的正确性. 通过求解速度雅克比矩阵对机构进行奇异性分析. 根据单腿的运动轨迹,对机器人进行对角步态规划. 结果表明该机构具有X、Z方向转动和Y方向移动的3个自由度. 该机构不存在奇异位置,且具有良好的运动性能. 步态仿真结果表明,机器人可以在平地上实现平稳运动,前进速度达到135 mm/s.      

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.