两栖多足机器人水下步态分析

通过对两栖动物运动机理的研究,针对两栖多足机器人水下行走的特点,采用减轻重力、附加流 体力的方法,提出了静水环境下的动力学模型,并基于对模型的分析提出了适用于两栖多足机器人水下运动 的“蹬踏—漂浮”步态．该步态不但解决了两栖多足机器人以陆地行走步态在水下行走时出现的抓地不牢及 稳定性不够的问题,而且提高了水下步行速度．通过分析两栖多足机器人的水下实验结果,验证了步态的可 行性．     

新型仿生球形两栖子母机器人系统设计

为解决传统两栖机器人的一些突出缺点,探寻机器人领域更多的可能性。本文设计了一种新型仿生球形两栖子母机器人系统,该系统中球形两栖母机器人在陆地采用仿生四足爬行方式运动,在水下采用矢量喷水电机进行喷水推进,无噪声,增加隐蔽性,并为微型子机器人提供控制信号和能源。微型子机器人陆地采用轮式驱动,设计了可以实现水陆两栖的桨叶轮。该子母机器人系统通过XBee通信模块实现无线通信。通过进行的子母机器人的陆地和水下运动试验,验证了设计的子母机器人系统的有效性。     

两栖机器人轮桨腿驱动机构多目标优化设计

提出了一种既能够在陆地上爬行,又能够在一定深度的水下浮游和在海底爬行的新概念轮桨腿一体化两栖机器人;多运动模式和复合移动机构是该机器人的突出特点．分析了轮桨腿复合式驱动机构的运动机理,并采用多目标优化设计理论和算法,对驱动机构的爬行性能和浮游特性进行了综合优化,得到了两栖机器人驱动机构的结构优化参数．虚拟样机的仿真结果证明了该轮桨腿一体化两栖机器人驱动机构的综合运动性能良好,对非结构环境具有一定的适应能力．     

水陆两栖仿生机器人构形、运动机理及建模控制综述

从水陆两栖机器人本体构形、推进动力学建模、多环境运动控制等方面对水陆两栖机器人近期的研究现状进行综述。首先,按照两栖机器人结构类型将两栖机器人分为腿式推进、轮腿/鳍复合式推进、蛇形推进、球形两栖机器人等;然后,介绍两栖机器人在水、陆环境中推进的动力学建模方法,以及目前常用于水陆两栖机器人的多环境运动控制策略。最后归纳得到两栖机器人的关键技术及未来发展方向,包括新型推进机构设计、系统建模、推进机理研究和多模态自主控制技术等。     

一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法

针对具有 2 自由度主动脊柱关节的仿猎豹四足机器人,基于任务分解思想和生物神经系统机理,提出多模型融合的控制方法。该方法以弹簧负载倒立摆模型实现单腿跳跃控制,通过中枢模式发生器（CPG）实现 4 条腿之间以及脊柱—腿之间的协调控制,利用虚拟模型控制实现机器人与环境交互,采用基于 CPG 输出的有限状态机来融合 3 个控制模型,构建仿猎豹四足机器人的多模型分层运动控制器。参考猎豹脊柱运动特征,设计了机器人脊柱关节运动模式,给出脊柱与腿的协调控制策略。最后,在 Webots 仿真环境中搭建了仿猎豹四足机器人虚拟样机,实现了不同步态下的脊柱—腿的协调控制、在崎岖地形上稳定奔跑,以及平滑的对角—疾驰—对角步态转换,仿真结果验证了所提出的多模型融合的四足机器人运动控制方法的有效性。     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

水陆两栖龟型载重机器人

针对陆地仿生机器人无法下水、水面作业机器人无法上岸的痛点,以及常见的球形两栖机器人在陆地载重运输时,无法保证其载重稳定性,在水中灵活性不高等现状,本文提出了一种水陆两栖龟型载重机器人的设计。对“龟背”展开机构进行设计,展开“龟背”后形成载物平台,在提供浮力的同时提升水面负载能力。“龟背”装置利用水面的浮力、上下臂以及外推杆实现展开后的自锁功能,保证了载重的稳定性。“龟腿”采用简单的合页原理,提高机器人在水中的灵活性。经实验计算证明,“龟背”载重可达自身重量的5倍,“龟腿”可在仅靠舵机驱动的方式下提高划行效率。并利用ESP8266 WiFi串口模块和ESP8266 Web Server库搭建网页服务器,通过浏览器访问进行设备控制。     

基于CPG的六足机器人运动步态控制方法

中枢模式发生器（CPG）在六足机器人的运动步态控制中起着至关重要的作用。为了研究六足机器人的运动控制方法,首先基于仿生学原理设计了六足机器人的机械结构,并在虚拟样机软件ADAMS中搭建其三维模型;其次选择Hopf振荡器作为CPG单元,并改进了振荡器模型;然后设计了六足机器人的CPG网络拓扑结构,包含单腿关节映射函数方案和腿间CPG环形耦合网络方案,并对其进行了改进;最后通过ADAMS和MATLAB联合仿真实验,验证了所设计六足机器人的运动稳定性和CPG控制方案的可行性与有效性。仿真结果表明,该方法能够满足六足机器人不同运动步态的控制需求,对六足机器人的运动控制具有一定的实际应用价值。     

蛇形机器人步态产生及步态分析

以简化的Serpenoid曲线为基础,并根据蛇形机器人的3维运动由其水平和怪直两个平面的运动合成的理论,提出了一种蛇形机器人的3维步态产生方法.通过实验验证了各种步态,并在实验中得到了蛇形机器人各种步态的运动特性与相应的运动控制方程参数之间的关系.在实验中,得到了一种新步态,并将其命名为螺旋步态.对于螺旋步态,利用运动...     

基于改进蚁群算法的四足机器人步态规划

四足机器人关节众多、运动方式复杂,步态规划是四足机器人运动控制的基础。传统的算法多基于仿生原理,缺乏广泛适应性。 在建立运动学方程的基础上,提出了一种基于改进蚁群算法的步态规划算法。该算法利用了四足机器人4条腿运动的线性无关性,将步态规划问题转换为在四维空间里求取最长路径问题。仿真结果表明,该算法得出了满足约束条件的所有步态,最后通过机器人样机检验,验证了该算法求取结果的有效性和合理性。     

A roller-skating/walking mode-based amphibious robot

An amphibious spherical robot capable of motion on land as well as underwater is developed to implement the complicated underwater operations in our previous research. In order to improve the speed performance of the spherical robot on a slope or comparatively smooth terrains, we propose a new roller-skating mode for the robot by equipping a passive wheel on each leg to implement the roller-skating motion in this paper. A braking mechanism is designed to transform the state of each passive wheel between free rolling and braking states by compressing and releasing the spring, which is controlled by the vertical servo motor on each leg. Besides, in order to improve the walking stability of the wheeled robot in longitudinal direction, a closed-loop control method is presented to control the stability of the direction of movement while walking. Therefore, we conduct the experiments on smooth terrains and down a slope to evaluate the performance of the roller-skating motion, including gait stability and velocity. Finally, plenty of walking experiments are conducted to evaluate the ability of directional control.     

Design,modeling and experimental evaluation of a legged,multi-vectored water-jet composite driving mechanism for an amphibious spherical robot

This paper designs a novel legged, multi-vectored water-jet composite driving mechanism (LMWCDM) for the amphibious spherical robot (ASRobot) and presents modeling and experimental evaluation of this composite driving mechanism. In order to crawl on land flexibly, the robot was designed in SolidWorks and simulated in ADAMS environment with the sit to stand motion and a crawling gait. Then the simulation results, such as driving torques, guided the selection of servomotors in different joints. In aquatic environment, the dynamic modeling of ASRobot was analyzed by synthesizing the propulsive vectors of four propellers in each workspace of legs. Simplistically, multiple underwater locomotion, such as longitudinal and lateral motion, rotary motion, sinking and floating motion and cruising motion, were proposed. Thus, using a six-axis force/torque sensor at the equivalent mass center, a force and torque measuring mechanism was developed to obtain the direct propulsive effect and validate the modeling of the driving system. To evaluate the robot design and selection of servomotors, experiments of the sit to stand motion and crawling motion were conducted. Underwater testing experiments of LMWCDM were carried out to verify the modeling of rotary motion, sinking and floating motion. Besides, underwater test of the robot prototype also proved the highly flexible and swift motion.

     

基于机器人运动模型的EKF-SLAM算法改进

针对两轮驱动机器人运动模型定向误差的累积问题,提出改进的三轮驱动机器人运动模型,对EKF-SLAM算法的一致性进行改进;该模型通过对机器人车轮线速度的解耦运算,将机器人运动过程中的旋转角速度提取出来并作为系统的控制输入之一,从而可以直接得到各个控制时间间隔内的机器人姿态角变化,很好地避免了机器人定向误差的累积;最后,基于归一化估计方差的检验标准进行实验,验证了三轮驱动机器人运动模型有效提高了EKF-SLAM算法的一致性。     

Design of six-legged walking robot,Little Crabster for underwater walking and operation

This paper describes the development of a ground test robot platform to study a multi-legged walking robot capable of precise proximity exploration and operations under a shallow sea in the presence of a strong tidal current environment. For both underwater walking and complex operations, a six-legged robot that uses two legs as manipulators during underwater operations is proposed. The dimensions, joint structure, range of motion, and mass distribution of the robot are determined by considering biological data, and then suitable joint actuators are chosen through a simple force analysis. In addition, a main controller, a communication bus, motor controllers, sensors, and a battery are chosen to build the whole control system. The detailed design is performed using 2D/3D computer aided design (CAD) software, and the robot is finally built by machining the parts and assembling them. The degree of design completion is proved by basic walking experiments and future works are addressed.     

兼具柔顺与安全的助行机器人运动控制研究

针对助行机器人的柔顺性和安全性问题,基于多传感器系统融合技术,本文提出了一种能够兼具柔顺与安全的助行机器人运动控制方法.首先介绍了助行机器人的机械结构、控制原理以及多传感器系统,然后根据机器人多传感器系统,设计出各传感器相对应的用户意图估计方法,提出了一种基于多传感器融合的助行机器人柔顺运动控制算法.分析用户可能发生的跌倒模式,使用基于卡尔曼滤波（Kalman filter,KF）的序贯概率比检验（Sequential probability ratio test,SPRT）方法和决策函数来判断用户是否会跌倒,并判断处于哪种跌倒模式.最后,通过助行机器人柔顺运动控制实验和用户跌倒检测实验验证了算法的有效性.     

基于SVM算法的碟形水下机器人姿态预测方法研究

碟形水下机器人的运动控制过程是非常复杂的,涉及到很多影响因素,并且是一个非线性控制过程,其姿态控制过程的系统模型的辨识对于实现机器人精确的控制和不同水文环境的自适应预测控制有着重要意义。因支持向量机(SVM)算法经过严格的数学推导,且在非线性等方面的良好表现,提出了将SVM算法用于碟形水下机器人模型的辨识,并设计了一组基于SVM的多输入多输出系统辨识器,可针对控制量进行姿态变化预测。通过在水池中测试的实验数据进行辨识和预测。实验验证预测的均方差不超过0.004,实验结果验证了该算法对碟形潜水器的姿态运动控制系统的辨识与预测有着良好的效果。     

轮式移动机器人嵌入式自适应控制器设计与仿真

在增加一阶输出信息基础上,改写了控制律算法准则函数,使用变分原理得出紧格式的改进无模型自适应控制(eMFAC)方程.以差动驱动移动机器人为研究对象,将非完整约束及传动系统误差作为外部干扰设计了具有前馈功能的Kalman改进无模型自适应控制(MFAC)运动控制器,证明了新控制方法的全局稳定性.FreeMAT仿真及ARM7系统控制实验证实了本方法的有效性.     

新型微型六足机器人的运动原理及控制程序

介绍了一种微型六足机器人的新结构，该结构将直线行进运动与转向运动合理地结合了起来，论述了这种新型结构的运动结合原理以及基于IO板的机器人控制系统VB软件编程，分析了机器人的运动稳定性和灵活性，给出了实验结果和分析。成功制作了机器人样机——“银甲虫1号”，其大小为：半径3cm，高4.2cm，重49g。实验证明“银甲虫1号”运动灵活可靠，有很好的机动性。     

光伏阵列清洁机器人路径跟踪改进型自抗扰控制

针对光伏阵列清洁机器人清洁作业过程中存在路径跟踪精度低与外界不确定干扰等问题,提出了一种改进型自抗扰控制策略来控制驱动单元模型,实现驱动单元角速度（力矩）的高鲁棒性控制,从而提高了机器人的路径跟踪精度.通过分析机器人的运动状态,得到清洁机器人实际运动位姿与期望运动位姿之间的误差.由于外界环境以及其他不确定因素的干扰,通过建立清洁机器人移动底盘带不确定干扰因素的动力学控制模型,在传统自抗扰控制器的基础上通过改进fal函数,提出了一种运动学与动力学内外嵌套的改进型自抗扰策略.改进型扩张状态观测器来实时观测并补偿不确定干扰因素,从而实现清洁机器人高精度跟踪作业目标路径.通过多种目标路径的跟踪仿真实验,最终都表现出了较好的跟踪结果.证明了本文所设计的基于改进型自抗扰控制的光伏阵列清洁机器人路径跟踪控制算法的优越性与有效性,提高了光伏阵列清洁机器人的清洁作业路径跟踪精度.     

A design of fully soft robot actuated by gas–liquid phase change

This study aims to investigate the application of temperature gradient between the ground and the air to the locomotion of soft robot. Soft robots attract attention due to its flexible adaptability and safety to the real environment in recent years. Although many soft robots are soft themselves, they require hard material as an external device such as air compressors and external power supplies for driving. To solve the problem, some authors reported an autonomous driving robot composed of a completely flexible material using gas generation by a chemical change of hydrogen peroxide solution. However, as the driving system utilizes a chemical reaction, its driving time is relatively short. On the contrary, the proposed robot moves without electricity and any external devices such as air compressors and an electrical power supplies. It can move just on the ground using the temperature gradient between the ground and the air. In experiments, we developed some prototypes and confirmed that continuous movement could be achieved with the proposed model.