月球探测(车)机器人技术的发展与展望

简述当前国内外探月研究进展及月球探测(车)机器人研究发展情况.基于月球的复杂环境特征,对比轮式运动与步行式运动月球探测(车)机器人的优势与缺陷,重点介绍了一种新型六轮腿式月球探测机器人方案.该方案具有高机动性,越障能力强,容错性好等特点,对该方案主要技术性能、本体结构、运动系统、轮腿切换机构工作原理等关键技术进行了探讨.     

一种新型轮腿式移动机器人的参数设计与实验研究

面向复杂未知环境探索作业对移动机器人的重大重要需求,借鉴3轮辐型轮腿越障能力强和弧形轮腿缓冲减振好的优势,提出一种新型轮腿式移动机器人.以攀爬楼梯为越障任务和设计目标,从静力学角度分析机器人轮腿与楼梯台阶不产生滑移的条件,得出机器人可跨越楼梯台阶的必要条件.从几何学角度规划一种机器人高效攀爬楼梯的轨迹,据此完成机器人轮腿结构的参数设计,并研究轮腿结构参数对机器人抗冲击能力和续航能力的影响规律.最后,通过软件仿真和爬楼梯实验验证上述工作的可行性和有效性.     

可跳跃式两轮机器人的设计与动力学分析

为提高跳跃机器人运动的灵活性和实用性,通过将跳跃运动与轮式运动相结合,设计了一种新型的可跳跃式两轮机器人.跳跃运动由三杆弹簧跳跃机构实现,在大大减小机构尺寸的同时提高了能量利用率.详细介绍了机器人各机构的组成及工作原理,在此基础上,对机器人跳跃过程进行了动力学建模,分析了影响机器人跳跃能力的因素.为验证机械设计的有效性,利用ADAMS进行了机器人轮式移动与跳跃越障过程的仿真.搭建机器人控制系统并制作可跳跃式两轮机器人原理样机,最终跳跃实验结果证明了机器人设计的合理性以及理论分析的正确性.该跳跃机器人的能量利用效率接近70%,跳跃高度超过自身尺寸.     

深海复合轮式采矿机器人越障性能研究

针对深海富钴结壳和热液硫化调查区复杂多变的底质环境特征,提出了一种兼有主被动混合越障模式的复合轮式采矿机器人.该机器人主体由4组复合轮组与铰接密封抗压型整体罐式车架组成.建立了典型越障工况下复合轮组结构的静力学模型,得到了影响其越障性能的主要结构参数,利用MATLAB工具箱对复合轮组结构参数进行优化设计,实现机器人越障性能的提高.结合深海复杂多变的底质环境特征,运用ADAMS软件对优化设计后的复合轮式机器人进行动力学建模和仿真分析.获得了机器人越障过程中的运动学特性曲线和力学特性曲线,并通过研制原理样机对其越障性能进行测试验证.结果表明,该机器人在复杂多变的深海底质环境下中具有较强的越障能力和通过稳定性.     

地面移动机器人越障动力学建模与分析

对采用轮—腿—履带复合型移动机构的地面移动机器人进行了研究,首先分别描述了机器人采用腿—履带、轮—腿—履带两种方式的越障过程,进而对腿—履带复合越障过程进行了动力学建模,分析了电机驱动力矩与机器人速度及障碍物高度等之间的关系,为确定机器人的复杂环境适应能力提供理论依据.     

具有拨土功能的轮腿一体化机器人结构设计

针对矿井灾难环境特点,采用三维建模软件设计了一种轮腿一体化机器人.该机器人采用轮腿一体式结构,具备了腿式机器人和轮式机器人的运动优点.分析了在不同环境下机器人采用的行进方式(即机器人步态),增强了机器人的环境适应能力,并且设计了基于多传感器信息的运动控制系统.该系统能够完成灾难矿井下的环境探测、信息获取以及机器人步态控制等功能,为矿难救援工作提供了重要的信息.     

轮腿式机器人倾覆稳定性分析与控制

对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言,其倾覆稳定性非常关键．设计了一种结构对称的轮腿式机器人,它有4个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形．采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价,建立了一个模糊神经网络自适应控制系统．根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度,保证其倾覆稳定性．正弦路面上的仿真结果表明,该系统所产生的动作实时性好、可靠性高,能够降低机器人自主越障过程中的危险．     

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人．该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动．首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计．其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式“三角”步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性．最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性．     

具有悬挂系统的轮腿式机器人设计与分析

设计了一种具有独立悬挂系统和足端缓冲机构的六足轮腿式机器人.该机器人结合了轮式机器人和腿式机器人的优点,同时将汽车的独立悬挂系统的设计思想应用在机器人上,降低了不平整地面对机器人的冲击,并减轻了由此引起的振动,保证了机器人在不同的复杂环境下机身内部环境的稳定.本文对该机器人的机构与结构进行阐述,建立了其运动学模型以及其悬挂系统机构和足端缓冲机构的单自由度振动模型,并对其缓冲机理进行分析对比.通过ADAMS仿真软件在不同地形环境下对其进行动力学仿真分析,验证了在机器人的运动过程中,与足端缓冲机构相比,悬挂系统的缓冲减震效果受地形影响较小,且悬挂系统和足端缓冲机构相结合会比单一缓冲机构具有更好的缓冲减震作用.     

轮足复合移动机器人运动规划发展现状及关键技术分析

地面移动机器人已经在资源勘探和灾难救援等多领域得到广泛应用,轮足复合机器人能够结合轮式运动速度快、平稳性高和足式运动的高越障性能等多方面优势,在理论创新和工程技术方面均有重要的研究价值.对近年来国内外轮足复合机器人的机械结构进行分析和比较,将轮足机构复合方式分为4类进行列举和总结.针对多模态运动的优势展开分析,列举轮足复合机器人主要采用的运动建模、规划和控制策略,不仅涉及单独的足式运动和轮式运动,同时涉及足端越障、变构型避障、轨迹规划的轮足复合运动.最后对运动规划关键技术进行总结和展望,指出轮足复合移动机器人后续的发展方向、研究思路和所面临的挑战.     

伸缩腿双足机器人半被动行走控制研究

研究半被动伸缩腿双足机器人行走控制和周期解的全局稳定性问题.使用杆长可变的倒立摆机器人模型,以支撑腿的伸缩作为行走动力源,采用庞加莱映射方法分析了双足机器人行走的不动点及其稳定性.当脚与地面冲击时,假设两腿间的夹角保持为常数,设计了腿伸缩长度的支撑腿角度反馈控制率.证明了伸缩腿双足机器人行走过程不动点的全局稳定性.仿真结果表明,本文提出的腿伸缩长度反馈控制可以实现伸缩腿双足机器人在水平面上的稳定行走,并且周期步态对执行器干扰和支撑腿初始角速度干扰具有鲁棒性.     

一种新的双足机器人模型设计与相关研究

针对双足机器人最简模型在行走过程中出现摆动腿足部擦地的问题,提出了一种通过摆动腿膝关节弯曲达到摆动腿缩短的新模型。当摆动腿开始摆动时,摆动腿膝关节弯曲锁定,摆动腿缩短;当摆动腿摆动到最大位置时,膝关节解锁,摆动腿伸直再锁定,此后摆动腿回摆,系统变为直腿模型。采用脚后跟冲击控制,在摆动腿落地前,拖后的支撑腿与地面接触处施加一指向髋关节的瞬时冲击力,冲击力可以减小摆动腿着地时能量的损耗,同时驱动被动机器人向前行走。设计了迭代学习控制算法,找到极限环与不动点,实现不同给定期望步长跟踪的冲击力的计算。仿真结果表明,迭代学习控制可以有效的实现不同期望步长的跟踪,可以很快的找到机器人系统的不动点,通过收敛的相平面,得到稳定的极限环,保证了机器人行走过程稳定。     

A novel robotic leg design with hybrid dynamics

A new leg mechanism is designed to achieve optimal behaviour in both the stance and swing phases. The leg is designed such that its dynamics and kinematics optimally mimic those of simpler mechanisms, namely the spring-loaded inverted pendulum (SLIP) and the double pendulum, for the stance and swing phase, respectively. Controllers based on the simpler mechanisms can thus be used, resulting in an effective control strategy that is simple and transparent.     

Efficiency analysis of telescopic-legged bipedal robots

This paper investigates the stability of underactuated bipedal walking incorporating telescopic-leg actuation. In human walking, knee joints of swing and support legs are bent and stretched. The telescopic legs mimic the motion of the center of mass of human legs via their telescopic motion during the stance phase. First, underactuated telescopic-legged biped robot models are introduced. Second, an output-following control law is applied to the linearized equation of motion of the robot, and the controlled robot’s equation is then specified as a linear time-varying system. The error transition equation is developed to evaluate the stability during the stance phase. Numerical calculations are performed to show the influences of leg telescopic motion on the stability.     

Combining series elastic actuation and magneto-rheological damping for the control of agile locomotion

All-terrain robot locomotion is an active topic of research. Search and rescue maneuvers and exploratory missions could benefit from robots with the abilities of real animals. However, technological barriers exist to ultimately achieving the actuation system, which is able to meet the exigent requirements of these robots. This paper describes the locomotion control of a leg prototype, designed and developed to make a quadruped walk dynamically while exhibiting compliant interaction with the environment. The actuation system of the leg is based on the hybrid use of series elasticity and magneto-rheological dampers, which provide variable compliance for natural-looking motion and improved interaction with the ground. The locomotion control architecture has been proposed to exploit natural leg dynamics in order to improve energy efficiency. Results show that the controller achieves a significant reduction in energy consumption during the leg swing phase thanks to the exploitation of inherent leg dynamics. Added to this, experiments with the real leg prototype show that the combined use of series elasticity and magneto-rheological damping at the knee provide a 20 % reduction in the energy wasted in braking the knee during its extension in the leg stance phase.     

Human like trajectory generation for a biped robot with a four-bar linkage for the knees

The design of a knee joint is a key issue in robotics to improve the locomotion and the performances of the bipedal robots. We study a design for the knee joints of a planar bipedal robot, based on a four-bar linkage. We design walking reference trajectories composed of double support phases, single support phases and impacts. The single support phases are divided in two sub-phases. During the first sub-phase the stance foot has a flat contact with the ground. During the second sub-phase the stance foot rotates on its toes. In the double support phase, both stance feet rotate. This phase is ended by an impact on the ground of the toe of the forward foot, the rear foot taking off. The single support phase is ended by an impact of the heel of the swing foot, the other foot keeping contact with the ground through its toes. A parametric optimization problem is presented for the determination of the parameters corresponding to the optimal cyclic walking gaits. In the optimization process this novel bipedal robot is successively, overactuated (double support with rotation of both stance feet), fully actuated (single support sub-phase with a flat foot contact), and underactuated (single support sub-phase with a rotation of the stance foot). A comparison of the performances with respect to a sthenic criterion is proposed between a biped equipped with four-bar knees and another with revolute joints. Our numerical results show that the performances with a four-bar linkage are bad for the smaller velocities and better for the higher velocities. These numerical results allows us to think that the four-bar linkage could be a good technological way to increase the speed of the future bipedal robots.     

双足步行机器人动态直线步行运动的规划

本文对双足步行机器人迈步腿的质心做抛物线运动规划,使迈步腿产生垂直向上的惯性力,以平衡迈步腿自身的重量和身躯的一半重量.迈步期间的零矩点落在参考坐标系 X 轴向线上,完全避免了机器人侧向翻倒的可能性.文中采用了平行坐标架分配法,运动方程含义直观,简化了运动方程反解过程.     

连续电驱动四足机器人腿部机构设计与分析

提出了一种四足机器人腿部的连续电驱动（即电机整周转动驱动腿部实现摆转跨步动作）方案,设计了一种具有由切比雪夫机构、五杆机构组成的2自由度双曲柄复合连杆机构的机器人腿部结构．分析了动物的足端轨迹特性,采用轨迹圆滑、无突变、导数连续的椭圆曲线规划了机器人足端运动轨迹．以规划的足端轨迹再现为优化目标,采用遗传算法与fmincon函数内点法计算得到了腿部机构杆长的最佳尺寸．在此基础上,建立了机器人仿真模型,通过Adams仿真分析了机器人腿部机构的足端运动特性,并研制了腿部结构性能测试平台．完成了单腿足端运动轨迹跟踪实验,验证了腿部结构设计方案的可行性．     

Hardware design and gait generation of humanoid soccer robot Stepper-3D

This paper presents the hardware design and gait generation of humanoid soccer robot Stepper-3D. Virtual Slope Walking, inspired by Passive Dynamic Walking, is introduced for gait generation. In Virtual Slope Walking, by actively extending the stance leg and shortening the swing leg, the robot walks on level ground as it walks down a virtual slope. In practical, Virtual Slope Walking is generated by connecting three key frames in the sagittal plane with sinusoids. Aiming for improving the walking stability, the parallel double crank mechanism are adopted in the leg structure. Experimental results show that Stepper-3D achieves a fast forward walking speed of 0.5 m/s and accomplishes omnidirectional walking. Stepper-3D performed fast and stable walking in the RoboCup 2008 Humanoid competitions.     

基于三质心模型的类人机器人射门算法

为了实现快速稳定的射门动作,提出了一种基于三质心模型的类人机器人射门轨迹规划方法。首先,根据三质心模型,得到包含游动腿轨迹和躯干轨迹的零力矩点(ZMP)方程, 采用三次贝塞尔曲线规划游动腿轨迹和ZMP轨迹,根据ZMP方程求解出类人机器人的躯干轨迹;其次,在双腿支撑相根据线性摆模型计算类人机器人的质心轨迹,实现射门姿态的快速调整;最后,在RoboCup 3D仿真平台中应用此算法实现了类人机器人的快速射门动作,并与其他球队的射门动作进行了对比。实验结果表明：应用该算法仅需手工调试即可快速实现稳定的射门动作,射门动作时间有很大减少,可增强机器人足球队的竞争力。