四足机器人被动跳跃步态动力学分析与仿真

在四足机器人被动跳跃步态分析模型的基础上,采用拉格朗日法推导了该步态中各运动相的动力学方程,并根据跳跃步态特征给出了基于事件的运动相转换方程。定义了四足机器人被动跳跃步态的庞加莱映射,利用牛顿迭代法获得了庞加莱映射的某个固定点。在MATLAB中以该固定点为初始条件对各运动相动力学方程进行了数值积分,得到了被动跳跃步态的周期性运动曲线,证明了四足机器人在某个初始条件下能够实现稳定的被动跳跃步态。       

含有关节型腿的四足机器人跳跃步态研究

建立了具有非线性刚度的关节型腿的质量-弹簧倒立摆模型,根据拉格朗日方程建立该倒立摆的运动方程,给出了倒立摆在跳跃运动周期中各运动相的转换条件,通过数值计算证明了倒立摆能够实现稳定的跳跃运动;建立了四足机器人跳跃步态的分析模型,通过数值方法构建了跳跃步态的庞加莱映射,通过牛顿迭代法寻找不动点,数值计算证明了四足机器人以某不动点为初始条件能够实现稳定的跳跃步态.     

主动腰部四足机器人控制系统与跳跃步态研究

四足动物在快速奔跑中会采用跳跃步态,而跳跃步态中腰部的伸缩运动又对速度的提升具有重大影响。针对跳跃步态中腰部摆动对速度的影响,设计了带有腰部主动关节的小型四足机器人,采用了舵机作为髋关节主动驱动器和弹簧作为膝关节被动驱动器,使腿部具有一个主动自由度和一个被动自由度。以STM32芯片为中央处理器设计了包括复位、通信和舵机驱动等功能模块的控制系统。通过软件设计,在实验中实现了四足机器人跳跃步态下的稳定运动和较好的仿生运动现象,验证了控制系统的有效性,观察到了腰部主动关节对四足机器人跳跃运动中的速度影响作用。     

液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划

针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题,面向竖直跳跃运动,以液压四足机器人单腿为研究对象,建立液压驱动四足机器人单腿运动学模型,并分别对机器人单腿处于起跳相、落地相和腾空相时进行轨迹规划;根据关节参数,通过运动学逆解求得驱动函数,利用仿真软件ADAMS进行竖直跳跃步态仿真;搭建单腿实验平台,进行实验验证,依据得到的动态特性,分析步态规划的准确性及合理性,为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据。     

圆弧足被动行走机器人动力学参数影响研究

被动行走机器人运动特性主要取决于动力学参数的选择。为研究参数变化对机器人步态的影响,以圆弧足被动行走机器人为研究对象,利用拉格朗日方法建立动力学方程并进行了数值仿真。借助分岔理论研究了圆弧足半径、质心位置、转动惯量和斜坡倾角对机器人稳定步态的影响。采用正交扰动向量法求解被动行走机器人这种非光滑系统的李雅普诺夫指数,对分岔动力学进行了验证。结果表明：随着质心位置、转动惯量和斜坡倾角增大,机器人步态出现倍周期分岔现象,当圆弧足半径在特定区间内增大时机器人仍保持周期一步态,但足半径过度增大会导致步态失稳;另外,双参数研究中对圆弧足半径和质心位置联合作用下机器人稳定参数区间变化进行了分析,并且发现机器人步态呈现出逆倍周期分岔现象。该研究结果为未来双足步行机器人的优化设计和主动控制提供了重要参考。     

四足机器人翻滚运动力学分析及仿真

设计了一种具有分段身体结构的四足机器人,通过合理设置身体各部分的协同运动,该四足机器人能够将身体折叠成圆盘状,能以静步态、对角步态进行四足行走,同时还能实现前向翻滚运动。分析了四足机器人调整重心,实现翻滚过程的力学过程。ADAMS动力学仿真的结果表明,此滚动运动模式运动平稳,具有较高的运动效率。     

基于空间算子代数理论的被动步行机器人局部稳定性分析

为了方便实现机器人稳定控制,利用空间算子代数理论构建了该被动步行机器人稳定性分析中的庞加莱映射函数,推导了其摆动相态和碰撞相态的动力学方程。利用数值分析的方法求解映射函数的稳定不动点,分析了该被动模型的局部稳定性。结果表明,空间算子代数理论在被动步行机器人稳定性分析中能有效快速地建立庞加莱映射函数,避免了拉格朗日力学在建模过程中求解偏导数的复杂计算;同时,局部稳定性分析中得知,该被动步行机器人只有在"稳定"不动点的时候才具备周期稳定步态,否则,会出现周期分岔现象。     

基于舞台表演用海龟机器人四足协调步态规划

在所创作的机器人戏剧中,海龟机器人扮演着重要的角色,而四足协调步态是其完成舞台表演的关键。通过深入观测实际海龟的运动情况,分析其步态特点并总结运动规律,从仿生学的角度提出了基于生物启发的四足协调步态规划方法;推导了单腿的解析逆运动学方程,将腿部末端的运动轨迹转换为各关节的运动轨迹,为各关节的伺服控制器提供期望值;开发了基于Webots的动力学仿真系统,对所提出的方法进行了验证。最后,在所研制的海龟机器人样机上开展了四足协调步态的实验,结果进一步表明了所提方法的有效性。     

四足机器人轨迹规划及移动能耗分析

步行机器人移动能效率研究有重要意义。针对四足机器人对角小跑步态,对比分析了三种不同足端轨迹的移动能效率问题。将四足机器人的对角小跑步态周期分为摆动相和支撑相,采用D-H坐标法和反变换法进行了腿机构运动学正逆解分析。基于刚体动力学的质心运动定理分析足端接触模型,考虑动态步行中足端与地面间的接触,曲雅可比矩阵建立步行中足端接触力与关节驱动力矩的映射关系,并基于拉格朗日动力学建模法对四足机器人摆动相和支撑相分别进行动力学建模。规划了三种不同足端轨迹,分别为摆线函数、正弦函数和直线函数,对比分析了三种足端轨迹下的运动学和动力学特性。进行完整对角小跑步态周期的能量消耗分析,以移动能耗率为评价指标,对比分析三种足端轨迹的能量消耗,研究四足机器人步高、步距、关节起始角等步态参数对移动能量消耗的影响,为四足机器人的参数优化和轨迹规划提供理论依据。     

液压驱动六足跳跃机器人仿真分析

介绍了一种液压驱动跳跃六足机器人的模型,分别进行了该机器人侧面双腿和正面双腿竖直跳跃运动学分析与动力学分析。采用D-H法,提出了一种液压驱动六足跳跃机器人模型,并建立了其着地和腾空两阶段的运动学分析模型;采用拉格朗日方程分析其动力学,得到了该机器人结构在运动过程中各关节的输出力矩特性。最后基于Adams软件对双腿跳跃六足机构和其质心轨迹进行了仿真,分析了其跃障能力,优化了两种跳跃方式的跳跃倾角,并比较了这两种跳跃方式效率,仿真结果验证了六足机构的运动平稳性,较好的越障能力,侧腿跳效率更优,获得侧面和正面双腿跳跃的最佳倾角,为后续研究工作提供了理论支撑。     

Energy dissipation rate control and parallel equations solving method for planar spined quadruped bouncing robot

This paper continues our investigation into Energy dissipation rate control (EDRC) and Parallel equations solving method (PESM). Our previous works showed how EDRC enables us to provide stable walking or running gaits for legged robots via controlling robot’s loss of energy rate during Impact phases (IP). This is while PESM facilitates the trajectory designing process of the robot’s active joints during each Single support phase (SSP) by solving the robot’s inverse kinematic and inverse dynamic equations in parallel. Even though PESM is very powerful and suitable for both quadruped robot, and despite the under actuation problem at the ankle joint, and biped robots, despite the presence of Zero momentum point criteria (ZMP) at the ankle joint, still, this method is limited to robots just with three and five DoFs. Therefore, the main purpose hereis to show how it is possible to extend the application of PESL to a spined quadruped robot with four DoFs by employment of the Central pattern generator (CPG) controller units and finding a connection among CPG’s output, PESM and the robot’s foot placement. Besides, as EDRC is employed to realize a stable bouncing gait for the robot, a whole numerical study is performed on the robot’s impact dynamic equations to evaluate the effect of spine joint on the robot’s impact dynamics.

     

四足机器人的腿部拓扑结构研究及其动力学仿真

对一种四足机器人的腿部机构设计方法进行探究。简析哺乳动物腿部关节分布,确立了四足机器人拓扑结构与自由度数目,用拉格朗日方程对其动力学简略推导,并建立虚拟样机。借助ADAMS动力学仿真软件,验证四足机器人虚拟样机在起立过程和对角步态的动力学规律。     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

Energy efficiency analysis of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory

Quadruped robots consume a lot of energy, which is one of the factors restricting their application. Energy efficiency is one of the key evaluating indicators for walking robots. The relationship between energy and elastic elements of walking robots have been studied, but different walking gait patterns and contact status have important influences on locomotion energy efficiency, and the energy efficiency considering the foot-end trajectory has not been reported. Therefore, the energy consumption and energy efficiency of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory are studied. The forward and inverse kinematics of quadruped robot is derived. The combined cycloid function is proposed to generate horizontal and vertical foot trajectory respectively, which can ensure the acceleration curve of the foot-end smoother and more successive, and reduce the contact force between feet and environment. Because of the variable topology mechanism characteristic of quadruped robot, the leg state is divided into three different phases which are swing phase, transition phase and stance phase during one trot gait cycle. The non-continuous variable constraint between feet and environment of quadruped robot is studied. The dynamic model of quadruped robot is derived considering the variable topology mechanism characteristic, the periodic contact and elastic elements of the robot. The total energy consumption of walking robot during one gait cycle is analyzed based on the dynamic model. The specific resistance is used to evaluate energy efficiency of quadruped robot. The calculation results show the relationships between specific resistance and gait parameters, which can be used to determine the reasonable gait parameters.     

基于地面反力检测的四足马机器人适应步行法

为适应国内外对四足马机器人进行的广泛研究,根据四足马机器人的结构模型和步行稳定性分析,对其适应步行法进行了研究。首先,介绍了具有12个运动关节和球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,在分析步行稳定性和检测地面反力的基础上,提出了一种四足马机器人适应步行的实现方法;最后,通过自制的小型四足马机器人进行了适应步行实验。实验结果表明,所提出的四足马机器人适应步行法具有可行性。     

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。     

一种四足马机器人的结构模型及其步行控制

参照马的生理结构,对四足马机器人的一种结构及其步行控制方法进行了研究。为验证该方法的有效性,首先,根据仿生原理设计出具有12个运动关节和4个球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,基于提出的结构模型,设计并实现了四足马机器人行走步态和对角小跑步态,并对步行稳定性进行了分析。步行实验表明,所提出的四足马机器人仿生结构及两种步态的实现方法具有可行性。     

基于稳定阈度分析的外骨骼动态步长规划方法

在医疗领域,康复外骨骼机器人能够帮助下肢瘫痪的患者重新行走,因此得到广泛的关注。由于下肢截瘫患者身体的特殊性,针对该类患者使用的外骨骼机器人大多使用拐杖作为平衡辅助工具。在固定步长的情况下,不同的拐杖支撑点位置,会很大程度影响步行稳定阈度。通过分析穿戴者拄拐步态所形成的多边形支撑面,利用零力矩点(ZMP)理论计算相应的压力中心位置,从而得到四足步态的稳定阈度表达式;并在此基础上提出动态调整步长的方法,得到拐杖支撑点与步长的拟合曲面,对步长进行实时、适当调整;最后通过外骨骼机器人的运动学模型,规划相应的步态轨迹。通过在课题组自主研发的外骨骼机器人样机上进行大量对比实验,证明了在每个步态周期中,针对不同的拐杖支撑位置,提出的方法可以有效增加系统步态的稳定阈度,降低拐杖支撑点的随机性对系统稳定性的影响。     

NOVEL FORMULATION OF STATIC STABILITY FOR A WALKING QUADRUPED ROBOT

By defining the static stable area for foot placement, a new approach to analysis of quadruped robot stability is presented. Unlike conventionally, the method avoids solving complicated direct kinematics of quadruped robot and shows the information on the robot stability and the selection of swing leg. Especially, the proposed algorithm can be used as real-time operation for on-line gait generation and control for quadruped robots. The effectiveness of the proposed approach is shown through a practical crawling experiment of the quadruped robot TITAN-VIII.     

Energy Expenditure of Trotting Gait Under Different Gait Parameters

Robots driven by batteries are clean, quiet, and can work indoors or in space. However, the battery endurance is a great problem. A new gait parameter design energy saving strategy to extend the working hours of the quadruped robot is proposed. A dynamic model of the robot is established to estimate and analyze the energy expenditures during trotting. Given a trotting speed, optimal stride frequency and stride length can minimize the energy expenditure. However, the relationship between the speed and the optimal gait parameters is nonlinear, which is difficult for practical application. Therefore, a simplified gait parameter design method for energy saving is proposed. A critical trotting speed of the quadruped robot is found and can be used to decide the gait parameters. When the robot is travelling lower than this speed, it is better to keep a constant stride length and change the cycle period. When the robot is travelling higher than this speed, it is better to keep a constant cycle period and change the stride length. Simulations and experiments on the quadruped robot show that by using the proposed gait parameter design approach, the energy expenditure can be reduced by about 54% compared with the 100 mm stride length under 500 mm/s speed. In general, an energy expenditure model based on the gait parameter of the quadruped robot is built and the trotting gait parameters design approach for energy saving is proposed.