软体尺蠖爬行机器人建模与仿真分析

高效计算并整体分析软体尺蠖机器人的运动规律和行进步态是个具有挑战性的难题.在准静态条件下,建立了一个由刚性滑块和曲梁构成的简化力学模型,对该类机器人进行准静态的建模与仿真分析.首先基于欧拉-伯努利梁理论,给出了曲梁的总势能表达式.其次,利用变分原理,由总势能推导出控制方程,联立边界条件,建立了常微分方程组,并对其进行离...     

基于生物中枢模式发生器原理的四足机器人

传统由人工规划产生的步态是比较僵硬的、缓慢的,缺乏灵活的自组织能力,与真正的动物步态存在很大差别.该文提出了机器人生物步态的概念.以生物的中枢模式发生器(central pattern generator, CPG)模型为核心建立四足机器人运动控制系统,建立CPG网络的权重矩阵与步态的对应关系.采用不同的权重矩阵得到四足机器人的典型步态.根据哺乳动物的肢体运动关系,建立机器人膝髋关节运动关系方程.通过仿真验证了基于生物CPG控制机理的机器人节律运动控制方法是有效的,机器人生物步态的实现是可能的.     

一种蛇形机器人蜿蜒运动的实现及环境适应性研究

生物蛇数量众多的脊椎骨以及无足的身体结构,使其形成了特殊的蜿蜒式前进步态,能够广泛适应于草地、沙漠和湖泊等起伏地形,这种节律性的运动方式被证明是由中枢模式发生器(CPG)控制的.利用Hopf振荡器的稳态特性建立了能够实现蛇形机器人蜿蜒步态的CPG步态控制网络,依据蛇形机器人的模型仿真器得到了控制蜿蜒运动的CPG网络参数,并利用该网络的输出蛇形机器人成功实现了前进.根据Hopf振荡器对控制参数突然变化的良好适应性,通过在线调整得到了新的输出.讨论了面对复杂环境时蛇形机器人转弯运动的实现以及改变蛇形机器人身体S波构形来提高其环境适应性的方法.在蛇形机器人样机上的实验证明了基于CPG的运动控制方法在蛇形机器人蜿蜒运动上的有效性.     

具有多地形运动能力的双模块软体机器人

针对现有爬管机器人应用范围有限、运动场景单一和多地形运动机器人无法攀爬、空间运动受限等问题,提出一种新颖的具备多地形运动能力的双模块软体机器人,每个软体模块由四气室全向弯曲软体气动驱动器组成.通过建立全向弯曲软体驱动器的弯曲模型,分析了全向弯曲软体驱动器的变化规律;提出了一种新型的旋转运动模式,使该机器人能通过旋转运动模式在多种复杂环境中运动;提出基于脉冲宽度调制(PWM)的步态控制方法,使该机器人能够更加简单快速地实现多地形运动功能,并通过实验验证其可行性.实验结果表明,基于四气室全向弯曲软体驱动器的双模块软体机器人能够沿圆形管道、方形管道及不规则杆状物(人体小臂)进行垂直攀爬运动,爬行速度达到11.7 mm/s,还能在平地、人造草皮、崎岖路面、斜坡等复杂地形进行快速移动,爬行速度达到14.0 mm/s,弥补了现有爬管机器人和多地形运动机器人的不足.该模块化软体机器人能在多种地形下进行稳定快速运动,适应性强,在管道检测和复杂地形探测等方面具有潜在的应用价值.     

新型轮腿式机器人研究

设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式机器人,集中了腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点,可在复杂地形条件下以多种行进步态和运动方式完成特殊的机动任务.开发了上位机人机交互系统和基于ARM的嵌入式运动控制系统,实现了多轴伺服运动控制技术,在控制、反馈各环节之间以及机器人视觉系统中采用了无线数据通信方式,实现了机器人的远程遥控.并辅助以超声波探测器阵列,用多传感器信息融合技术配以实时避障算法和数字图像处理技术实现了机器人的自主运动及探测.仿真分析和原理样机实测表明,该机器人具有良好的越野行驶能力和稳定可靠的探测性能,为进一步研究小型多用途机器人理论和实践奠定了基础.     

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...     

气动柔性关节六足机器人步态设计与实验

设计三自由度气动柔性关节六足机器人直行、原地回转以及定半径回转运动过程的步态实现方法,搭建运动学实验平台,验证所设计步态的合理性,分析最佳运动性能参数.实验结果表明:机器人步态设计合理可行,在动作频率为2 Hz,负载500 g,直行气压0.20 MPa,单次转体回转角度15°,定半径50 mm转弯下,运动性能最佳.     

无侧摆关节型两足步行机器人转弯步态规划方法的研究

首先介绍了无侧摆关节型两足步行机器人的平衡方法，然后对这类两足步行机器人转弯运动的步态规划进行了详细研究，建立了转弯过程中２只脚不发生干涉的条件以及为维持步行稳定性对重心的约束条件，最后通过对ＮＡＩＷＲ－１两足步行机器人的转弯运动进行计算机仿真，证实了本文所提出的转弯步态规划方法的正确性。     

偏心轮六足机器人爬坡稳定性分析

研究了一种偏心轮构造的六足机器人,介绍了其基本的机械结构,并使用稳定锥方法对其建立了爬坡时的运动模型以及力学约束.设计了一种呈波浪形式的爬坡步态,对这种运动模式下的机器人最易倾翻的姿态进行了分析,结合其机械结构特征,使用稳定锥方法验证了机器人运行的稳定性,求出了机器人爬坡时的坡度临界角,并进行了仿真和实物实验验证.在采用此机械结构以及使用相应的爬坡步态的情况下,机器人能够有较好的爬坡表现,实验环境中测得机器人稳定爬坡角度最大可至33°左右.      

面向电厂管道的攀爬机器人运动规划与仿真

针对电厂管道检测作业,围绕多屏平行管道环境中直管、管间和管屏间的攀爬作业需求,设计一种5自由度攀爬机器人,并进行运动规划分析。首先,分析运动需求,确定攀爬机器人的构型;其次,针对直管攀爬、管间过渡和管屏过渡的攀爬运动进行规划,提出3种步态;之后,采用基于D-H法建立的机器人运动学模型,采用逆运动学求解对应位姿点的关节角度;再通过5次多项式插值得到角度-时间序列;最后,采用ADAMS虚拟样机技术进行仿真,分析攀爬过程中的能耗及各关节的受力情况。研究结果表明:所规划的步态能够满足运动需求;直管攀爬中随着步距由50 mm增大至150 mm,机器人最大转矩增加17.76%,总能耗降低39.94%,在保证关节转矩足够的情况下可通过增大步距以降低能耗;各工况中,管间过渡的旋转关节与管屏过渡的夹持手爪所需力矩最大,在步态优化与样机设计时需重点校核。     

偏心轮腿六足机器人四足步态规划

提出了一种适用于偏心轮腿六足机器人的直行四足步态规划.以一个运动周期为例,分析了偏心轮腿六足机器人直行过程中5个阶段的运动状态,以及每个运动状态中偏心轮腿步态的参数变化并用状态矩阵加以描述.将该步态用于所设计的偏心轮腿六足机器人,在驱动电机的控制下,能保证机器人的直行前进.     

Stability margin of the quadruped bionic robot with spinning gait

Spinning gait is valuable for quadruped robot, which can be used to avoid obstacles quickly for robot walking in unstructured environment.A kind of bionic flexible body is presented for quadruped robot to perform the spinning gait.The spinning gait can be achieved by coordinated movement of body laterally bending and legs swing, which can improve the mobility of robot walking in the un-structured environments.The coordinated movement relationship between the body and the leg mechanism is presented.The stability of quadruped robot with spinning gait is analyzed based on the center of gravity ( COG) projection method.The effect of different body bending angle on the stabili-ty of quadruped robot with spinning gait is mainly studied.For the quadruped robot walking with spinning gait, during one spinning gait cycle, the supporting polygon and the trajectory of COG pro-jection point under different body bending angle are calculated.Finally, the stability margin of quadruped robot with spinning gait under different body bending angle is determined, which can be used to evaluate reasonableness of spinning gait parameters.     

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。     

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.      

基于虚拟支点倒立摆模型的双足机器人质心轨迹规划

针对传统的双足机器人在摆动相机械能起伏较大,其能耗远高于人类的步行模式的问题,提出了一种基于虚拟支点倒立摆被动特性的双足机器人步态规划方法,在保证摆动阶段机械能近似守恒的前提下,同时保证压力中心点能够从脚跟移动到前脚掌,与人类步行的地面反力特性接近;为解决倒立摆微分方程没有初等解的问题,提出用线性倒立摆方程估算摆动角度.数值仿真结果表明,该方法在与人接近的步行参数下获得的运动模式其效率远高于传统方法.     

基于最小二乘法的步态机器人运动轨迹辨识

运动轨迹辨识是机器人研究领域中的一个热点问题,运用最小二乘法对步态机器人的运动轨迹进行研究.测量并计算了人体步态特征参数;在此基础上,通过曲线拟合的方法,为下肢各个关节部位建立相对应的数学模型,得到了步态机器人运动轨迹的整体数学模型;最后,利用得到的数学模型表达式验证了文中所提研究方法的可行性与有效性.     

A New Method of Desired Gait Synthesis for Biped Walking Robot Based on Ground Reaction Force

A new method of desired gait synthesis for biped walking robot based on the ground reaction force was proposed. The relation between the ground reaction force and joint motion is derived using the D'Almbert principle. In view of dynamic walking with high stability, the ZMP(Zero Moment Point)stability criterion must be considered in the desired gait synthesis. After that, the joint trajectories of biped walking robot are decided by substituting the ground reaction force into the aforesaid relation based on the ZMP criterion. The trajectory of desired ZMP is determined by a fuzzy logic based upon the body posture of biped walking robot. The proposed scheme is simulated and experimented on a 10 degree of freedom biped walking robot. The results indicate that the proposed method is feasible.     

基于ZMP双足机器人稳定性控制策略与算法的研究

基于ZMP控制理论及其数学模型,通过预先给定双足机器人步态的运动轨迹,计算确定各关节的旋转角度并选定控制系统的控制算法.对遗传算法在双足机器人步行稳定性控制策略做了分析,主要解决如何产生稳定控制机器人步态的数据,在步态运行过程中保证双足机器人从一个稳定态到下一个状态时,同样也是稳定的,以实现机器人在实际行走过程中达到较好的稳定效果.ZMP     

仿人机器人未知地面行走控制方法研究

介绍了一种仿人机器人未知地面行走的控制算法 .该算法通过踝关节六维力 \力矩传感器信息感知地面环境 ,确定步态参数 ,利用基于ZMP稳定判据的规划方法进行实时运动规划 ,实现机器人稳定行走 .     

基于惯性测量器件的无线步态分析平台

步态定量测量方法应用于许多领域,如临床医学、双足机器人控制等.采用惯性测量单元结合无线传感器网络建立了一个步态分析平台,将两个无线惯性测量单元传感器节点分别绑定在左右双侧脚踝,以同时采集双脚运动过程中的加速度和角速度信号,并将其通过无线方式发送到远程终端.通过模式识别、时间序列分析、阈值检测和零速修正等多种数据融合方法计算步态参数,并通过融合双足传感器数据得到双支撑相、双脚步行周期等重要的双足步态参数,其中双支撑相参数对人体日常动作的识别有重要意义.实验结果显示该研究具有较高的计算精度.