四足步行机器人步态规划与稳定性分析

通过对各种步态详细的分析和讨论,得出了稳定行走的最佳步态。为了得到稳定、易于控制的机器人系统,研究和分析了四足机器人的静态稳定性,并给出了系统稳定性的判断方法。     

六足机器人爬坡性能分析及步态选择

具有良好的爬坡性能对于六足机器人有着重要意义,首先,介绍六足式弧腿机器人的结构,从其常见步态中分析利于爬坡的三角步态及同步步态,其次,根据所定义的步态参数对比分析两种步态下的爬坡速度,计算爬坡时的稳定裕度,以分析两种步态下的稳定性,通过建立腿部的动力学模型,推导出不同步态下的最大爬坡角,最后,根据仿真和实验的数据验证理论分析的正确性,从而为六足机器人爬坡时的步态选择作出参考。     

六足机器人爬楼梯步态规划

楼梯是移动机器人工作环境中最常见的复杂障碍物之一,也是衡量机器人在非结构化环境中推进性能的一项重要指标。因此,分析了国内爬楼梯机器人的研究现状,设计了六足机器人AmphiHex的四足步态,计算了四足步态的稳定裕度,并分析了四足步态在不同楼梯中的应用,最后通过实验验证步态规划是可行的,从而为机器人的系统设计和行为决策提供指导。     

四足步行机器人关节位姿和稳定性研究

四足机器人爬行控制的关键是关节位姿的确定、机器人稳定性的判断和摆动腿顺序的选择.提出了一种求解关节位姿驱动变量的有效方法,此方法能获得满意的四足机器人步行步态.通过定义立足点的静态稳定区域提出了一种机器人稳定性分析的新方法,该方法不仅避免了复杂的机器人正动力学求解问题,同时还可给出机器人稳定性和立足点稳定范围的信息.实际爬行实验验证了所提方法的有效性.     

四足机器人启动步态设计及稳定性分析

为保证四足机器人在以离线规划的对角步态行走过程中的稳定性,通过分析机器人行走的数学及力学模型而设计一种由静止状态启动至稳定运行过程的多步变步长启动步态,首先建立了从启动到稳定运行过渡过程中四足机器人的运动学模型,使用MATLAB软件计算求得机器人启动过程中各个关节的运动节律角度数据,并在adams动力学仿真分析软件中进行了物理样机模型的对角步态行走测试。仿真分析及样机试验结果验证了,该启动步态能够有效的防止机器人因单步启动时姿态偏角过大所造成的冲击并保证行走时的平稳性。     

基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法

搭建了电动并联式轮足机器人的运动学模型,在单腿工作空间约束和行走稳定性约束条件下完成了间歇步态和旋转步态的基本步态设计,保证机器人在大负重情况下的全方位稳定行走。分析了机器人运动速度矢量与不同基本步态之间的对应关系。提出了基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法,分析了步态切换的最佳时机,详细介绍了不同种步态之间的步态切换过程。通过虚拟样机和物理样机试验平台对本步态切换方法进行仿真分析和试验验证。仿真与试验的结果表明,电动并联式轮足机器人在基本步态行走和步态切换过程中,稳定裕度始终不小于零,且机器人机身的横滚角和俯仰角分别在–1.5°～4°和–2.8°～2.5°范围内变化,该方法能够保证电动并联式轮足机器人稳定的完成步态切换。     

两足步行椅机器人步行参数对稳定性的影响分析

两足步行椅机器人是一种替代轮椅或假肢、为残疾人服务的助残机器人。这类机器人在复杂的使用条件下,各种参数对步态规划及其稳定性的影响分析研究具有重要意义。本文首先根据与步态规划密切相关的机械结构特点、自由度以及关节配置等建立了步行椅机器人的简化模型以及步态规划的算法,然后基于ZMP理论和稳定裕度的概念,确立了主要步行参数与稳定性之间的关系,提出了动态步行的稳定性判据,分析了步态规划中步行参数对于稳定性的影响,并给出了在不考虑参数间耦合影响的前提下步态规划中参数选择的合理范围。     

类人机器人耦合步态规划与实验研究

随着科技发展,类人机器人的研究不断激起人们的研究兴趣并取得了巨大进展,但仍存在大量技术难题有待进一步研究。其中,类人机器人的步态规划是类人机器人研究中需解决的重要问题之一。为解决目前步态规划普遍存在的前进和侧移步态耦合的问题,提出了一种耦合步态规划方法。该方法基于传统的ZMP步态规划方法,首先建立运动学模型,然后规划踝关节和髋关节轨迹,逆运动学求得步态数据,最后通过ZMP位置判断步态稳定性,并将得到的稳定步态用于类人机器人样机GRM2010。     

四足机器人在直行和转弯下的步态规划研究

针对四足机器人的直行和转弯运动,以爬行步态为基础,分别对其进行了步态规划.提出了协调旋转步态的概念并用于原地转弯中;找出直行步态与原地转弯步态的足端轨迹公共点,通过该点实现了步态的快速迁移并用于四足机器人的弯道转弯运动中;根据对四足机器人的结构设计,建立了四足机器人的虚拟样机;提出了一种新的评价准则——角度余量准则(SA准则),对规划的步态进行稳定性评价,从而找出最优步态.搭建实验平台进行了实验,结果显示,针对直行和转弯的步态规划合理、可行.     

风电叶片检测机器人设计与运动仿真研究

为了降低风电叶片检测维修的成本,综合设计制作了一种可以在叶片表面攀爬检测的六足机器人。根据叶片参数确定了机器人整体尺寸,采用SolidWorks软件建立了机器人整体模型,设计了腿部吸附结构。通过静力分析,建立了机器人吸盘吸附的数学模型,以保障机器人行走的安全稳定性。分析了机器人整体行走步态,设计了攀爬行走迈步过程并设计了其关节控制曲线,通过ADAMS软件仿真模拟了机器人在叶片表面的攀爬行走。最后,设计了机器人整体控制系统,并制作样机进行了机器人攀爬实验。仿真与实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定实现攀爬运动,吸盘吸附系统安全可靠,实验结果与仿真的行走步态一致,验证了以攀爬步态行走的可行性。     

Typical gait analysis of a six-legged robot in the context of metamorphic mechanism theory

The equivalent mechanism of the system is often considered as one specific mechanism in most existing studies of multi-legged robots, however the equivalent mechanism is varying while the robot moves on the ground. Four typical tripod period gaits of a radial symmetrical six-legged robot are analyzed. Similar to the metamorphic mechanism, the locomotion of multi-legged robot is considered as a series of varying hybrid serial-parallel mechanisms by assuming the constraints of the feet on the ground with hinges. One gait cycle is divided into several periods, and in different walking period there is a specific equivalent mechanism corresponding to it, and the walking process of multi-legged robot is composed by these series of equivalent mechanisms. Walking performance can be got by analyzing these series of equivalent mechanisms. Kinematics model of the equivalent mechanism is established, workspaces of equivalent mechanisms are illustrated by simulation and a concept of static stability workspace is proposed to evaluate the static stability of these four gaits. A new method to calculate the stride length of multi-legged robots is presented by analyzing the relationship between the workspace of two adjacent equivalent parallel mechanisms in one gait cycle. The stride lengths of four gaits are given by simulations. Comparison of stride length and static stability among these four typical tripod gaits are given. It has been proved that mixed gait and insect-wave gait II have better static stability than mammal kick-off gait and insect-wave gait I. Insect-wave gait II displays its advantage on stride length while the height of robot body lower than 87 mm, mammal kick-off gait has superiority on stride length while the height of robot body higher than 115 mm, and insect-wave gait I shows its shortcoming in stride length. The proposed method based on metamorphic theory and combining the footholds and body height of robot provides a new method to comprehensive analyze the performance of multi-legged robot.     

六足步行机器人全方位步态的研究

研究六足步行机器人全方位行走步态,分析其静态稳定性;规划了典型直线行走步态和定点转弯步态,确定了直线行走步态最大跨步和定点转弯步态最大转角;进行了步态控制算法模拟仿真及实地步行实验,结果表明研究工作正确、有效。     

Gait Analysis of Quadruped Robot Using the Equivalent Mechanism Concept Based on Metamorphosis

The previous research regarding the gait planning of quadruped robot focuses on the sequence for lifting o and placing the feet, but neglects the influence of body height. However, body height a ects gait performance significantly, such as in terms of the stride length and stability margin. We herein study the performance of a quadruped robot using the equivalent mechanism concept based on metamorphosis. Assuming the constraints between standing feet and the ground with hinges, the ground, standing legs and robot body are considered as a parallel mechanism, and each swing leg is regarded as a typical serial manipulator. The equivalent mechanism varies while the robot moves on the ground. One gait cycle is divided into several periods, including step forward stages and switching stages. There exists a specific equivalent mechanism corresponding to each gait period. The robot's locomotion can be regarded as the motion of these series of equivalent mechanisms. The kinematics model and simplified model of the equivalent mechanism is established. A new definition of the multilegged robot stability margin, based on friction coe cient, is presented to evaluate the robot stability. The stable workspaces of the equivalent mechanism in the step forward stage of trotting gait under di erent friction coe cients are analyzed. The stride length of the robots is presented by analyzing the relationship between the stable workspaces of the equivalent mechanisms of two adjacent step forward stages in one gait cycle. The simulation results show that the stride length is larger with increasing friction coe cient. We herein propose a new method based on metamorphosis, and an equivalent mechanism to analyze the stability margin and stable workspace of the multilegged robot.     

一种新型四足变胞爬行机器人的步态规划研究

随着移动机器人在探测救援中的应用逐渐增多,活动灵巧、环境适应能力强的多足机器人越来越受到国内外学者的关注。介绍一种腰部可以活动的四足机器人的设计及其步态生成,并展示了活动腰部可提升机器人对极端环境的适应性。提出三个基本假设以简化机构模型,提出腰部构态变换规则,并用几何方法说明了腰部构型变化可扩大机器人腿部活动空间,从而提升对复杂环境的适应性。另外,腰部运动与步态融合,生成了两种新的基本步态——扭腰直行步态和原地旋转步态。基于提出的两种步态,对比了固定腰部与可动腰部条件下运动稳定裕度的变化,分别计算了狭窄弯道通过条件,并分析了所设计步态对头部视觉的影响,从而证明所设计机器人具有较高的极端环境适应能力。     

微型六足仿生机器人及其三角步态的研究

基于仿生学原理,在分析六足昆虫运动机理的基础上,采用平面四连杆机构、蜗轮蜗杆减速机构、皮带传动机构、微型直流电机驱动和PC机控制方案,研制成一种新型"微型六足仿生机器人",其样机外形尺寸为:长30mm,宽40mm,高20mm,重6.3g.讨论了该机器人的运动步态并分析了其运动稳定性,实验结果表明该机器人具有较好的机动性.     

基于离散化的六足机器人自由步态生成算法

为精细模仿生物步态,充分发挥六足机器人运动潜能,在离散化机器人单足工作空间的基础上,融合中枢模式发生器(Central pattern generators,CPG)模型与反射模型的核心思想,建立离散化步态模型,基于稳定性分析,构建机器人稳定的位置状态空间,将步态规划问题转化为稳定的位置状态空间中位置状态间的排序问题,在此基础上,提出一种新的自由步态生成算法,并结合试验样机开展步态试验。试验结果表明,自由步态生成算法可根据给定的速度要求生成符合生物运动特点的稳定步态以实现机器人的灵活运动。     

单自由度腿部机构的四足机器人稳定性研究

以基于切比雪夫连杆腿部机构的四足机器人为原型,建立了其足端的运动轨迹方程,并推导出速度方程; 分别从静态及动态两种步态对单自由度四足机器人的稳定性进行研究,给出了各种步态下保持平衡行进的稳定判据; 并通过Adams仿真进行了验证。     

A new virtual-real gravity compensated inverted pendulum model and ADAMS simulation for biped robot with heterogeneous legs

Our research team combined humanoid robots with intelligent lower limb prostheses to study the dynamic characteristics of intelligent lower extremity prostheses for disabled people in the walking process, and proposed a biped robot with heterogeneous legs (BRHL). This paper proposes a new virtual-real inverted pendulum system model to unify the models for both single support phase and double support phase in walking process and builds a special simulation platform which can acquire the real-time center of mass (COM) trajectory. Initially, a gravity-compensated inverted pendulum model was built and improved the stability of gait, a natural ZMP trajectory improved the anthropomorphism of the gait. Furthermore, in double support phase, a virtual inverted pendulum model was established and a virtual-real inverted pendulum model was proposed and used to plan the gait of both single support phase and double support phase in the walking process. Additionally, the joint angles were obtained by inverse kinematics; the stability of the system was analyzed to be feasible and effective by phase trajectories. A special ADAMS simulation platform was built to simulate the walking process and acquire real-time COM trajectory. The feasibility of the gait planning was also verified. Finally, the trajectory of COM was optimized based on the minimum energy criterion according to the geodesic equation.

     

足式机器人的稳定行走*

足式机器人在行走过程中,足端与地面之间的法向冲击力将影响机器人的在垂直方向上的稳定性。被动柔顺可以减小垂直冲击力但同时可引发平台持续震荡。针对该问题,设计基于足端力反馈的主动柔顺控制器,分析其对机器人垂直稳定性的影响。机器人由于机械间隙、步态、路面等因素将出现足端打滑现象,导致机器人水平方向失稳。引入摆腿回缩技术,分析摆腿回缩对机器人水平稳定性能的影响。仿真和液压足式机器人行走试验验证提出方法的有效性,提高了机器人行走过程中的垂直和水平方向稳定性。