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。     

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。     

一种六足铲斗机器人腿部机构工作空间设计

首先,介绍了一种六足铲斗机器人,其腿部采用一种3自由度RPR+R(2RPR+FD)串并混联机构。其次,建立了该腿部机构的位置反解,基于极坐标边界搜索方法绘制了其足端工作空间三维图,分析了腿部机构几何参数对工作空间高度和长度的影响规律。最后,考虑到该机器人的越障能力、行走速度以及铲斗作业时的位姿变化要求,设计了腿部机构工作空间。该机器人在受灾场合中进行障碍清除、物资搬运以及对易燃易爆物隔离等方面有很好的应用前景。     

基于功能仿生并联机械腿的全向步行机器人

基于运动功能仿生设计了一种新型三自由度耦合并联机械腿并且应用到足式全向步行机器人当中,并对机器人整机性能进行了研究分析.首先,建立了运动学模型,应用几何法分析了运动学正逆解,利用逆解搜索法得到了可达工作空间.然后,采用虚功原理计算了驱动关节静力矩,规划了四足机器人的全向步态和足端轨迹.最后,完成了虚拟样机仿真分析并制作了原理样机,进行了样机的步态实验.通过分析可知：机构具有良好的稳定性和加速度连续性,其足端具有2R1T三自由度的运动特性;全向运动可以有效地解决在空间受限制的情况下无法完成转向的问题.     

面向未知地形的四足机器人足端轨迹优化

在未知地形行走时,由于地形突变,采用常见步态算法的四足机器人容易受到冲击,导致失稳,为此,提出一种改进的四足机器人足端轨迹规划的算法。将足端运动轨迹分段优化,减小机器人在水平地面、上坡和下坡地形的足端力矩变化,增加四足机器人运动的稳定性。实验选用斯坦福四足机器人,记录俯仰角pitch、横滚角roll及足端力矩在机器人通过不同地形时的变化。实验结果表明,足端轨迹优化后的机器人在未知地形中行走的稳定性得到有效提升。     

基于虚拟模型的四足机器人控制策略

为提高四足机器人在对角小跑(Trot)步态下的行走稳定性,并减小控制策略的复杂程度,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人控制策略;将四足机器人控制策略分为支撑相及机身运动控制、摆动腿相运动控制及足端轨迹规划三部分;在Trot步态下行走时支撑相中存在的前后对角支撑足,在分析四足机器人支撑足受力情况后,并添加相关的约束条件,实现了四足机器人足端力及力矩可控;并通过在四足机器人机身的质心位置添加相应的虚拟弹簧阻尼组件,实现了四足机器人姿态和高度控制;通过在摆动腿足端实际位置与环境之间添加虚拟的弹簧阻尼组件并结合足端轨迹规划实现了四足机器人柔顺行走以及足端轨迹跟踪精确性;通过Matlab和CoppeliaSim建立联合对比仿真验证了控制策略的有效性和优越性。     

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.      

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.      

可分体轮腿四足机器人的运动模态分析与轨迹切换

【目的】煤矿井下地形复杂多变且空气中含有多种易燃易爆气体，具有极高的危险性。为了降低巡检风险，提高巡检效率，提出了一款具有多种运动模态的可分体轮腿四足机器人。【方法】分析了该机器人的腿模态、轮模态、轮腿混合模态、躯体分离组合模态、双臂夹持模态等5种主要运动模态。阐述了单腿结构参数并基于蒙特卡洛法绘制了机器人的腿部工作空间；利用加速度倒推法消除了足端纵向的加速度突变，优化了机器人腿模态下的足端轨迹；基于5次多项式的轨迹特点规划了机器人多个运动模态相互切换的轮腿切换轨迹；基于Webots与MATLAB的联合仿真环境，验证了机器人腿模态下使用Trot步态的稳定性及轮-腿模态切换轨迹的柔顺性。【结论】研究内容可为可分体轮腿四足机器人在矿井环境中进行巡检作业提供理论基础。     

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.     

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.      

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。     

四足机器人斜坡对角小跑运动控制研究

能否在斜坡上稳定行走是判断四足机器人运动性能的一个重要标准.针对四足机器人采用对角小跑步态在斜坡地形上的运动,建立机器人结构简化模型并进行运动学分析,完成了该步态下的足端轨迹规划,并提出一种基于模糊控制的姿态调整方法,通过调节机器人支撑相关节角来减小机身运动过程中的横滚角波动,从而提升机器人斜坡行走的稳定性.Adams...     

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.     

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。     

四足机器人坡面质心调整方法

为了实现稳定的坡面运动,设计了小腿采用液压缸的四足机器人.基于对角小跑步态,提出一种通过改变机器人前腿小腿腿长和保持后腿小腿腿长不变来实现坡面质心调整的方法.以机器人质心在斜面的投影点落在支撑对角线交点处为判据,对该质心调整方法进行了稳定性分析,得到姿态调整的确定值.对零冲击复合摆线足端轨迹规划方法进行了改进,以减少四足机器人坡面上的足地接触冲击.利用Adams和Matlab对四足机器人坡面trot步态运动进行了联合仿真.仿真结果表明所提出的质心调整方法和足端轨迹规划方法能够实现机器人在20°坡面上的稳定行走.      

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.      

脊柱型四足机器人运动学建模及对角小跑步态规划

针对四足机器人在常规对角小跑步态中绕对角支撑线的翻转力矩会导致机器人失衡问题,在运动学建模和失衡原因分析的基础上提出了2种新颖的对角小跑步态规划方法:叠加腿部侧摆运动的对角小跑步态和叠加脊柱偏航摆动的对角小跑步态.前者引入腿的侧摆关节的运动调节支撑腿足端轨迹,后者增加脊柱偏航关节的运动调节机器人的重心并保持足端轨迹不变,这2种方法均使机器人重心在整个对角小跑步态周期位于对角支撑线上.仿真结果显示,相比于常规对角小跑步态和足端轨迹后移的对角小跑步态,提出的对角小跑步态规划方法显著提高了机器人运动的稳定性.此外,提出的规划方法在存在模型误差时具有鲁棒性.     

新型高速重载堆垛机器人运动系统设计

针对高产量铝锭堆垛生产线上高速重载堆垛工况,研究设计一种新型5自由度串并混联机构的堆垛机器人.该机器人本体结构模块采用由并联机构和串联机构闭环运动链组成的运动系统方案.通过对系统有关结构参数化建模、运动学特性的理论分析、运动仿真的虚拟实验及有限元分析,机器人运动系统能够很好的满足堆垛机对自由度、工作空间以及复杂堆垛轨迹的要求,承载力得到大幅度提升,可满足铝锭堆垛高速重载的堆垛要求.     

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.