多足机器人规则步态实现方法研究

步态规划在移动机器人运动学研究中具有基础和重要的作用,本文首先对四足机器人的着地点进行设计,并分别对各腿的摆动顺序进行几何规划,利用虚拟样机,对四足机器人的单足轨迹进行设计,使得机体能够维持重心稳定并向前运动;其次,本文构建了四足机器人支撑机构的运动学逆解模型,排除奇异解,基于支撑机构的数学建模与求解对四足机器人的前行运动进行了规划;最后,实验结果表明,规则步态规划方法可实现四足机器人稳定可靠地运动.     

新型四足步行机器人串并混联腿的轨迹规划与仿真研究

为了提高四足机器人的载重自重比,综合了一种新型串并混联四足步行机器人,并针对其运动过程的冲击问题,使用了一种基于高次多项式的零冲击足端轨迹规划算法.该机器人每条腿均是由3-RRR并联机构串联一个转动机构组成.此机构利用D-H的方法建立坐标系,利用足端轨迹规划算法在世界坐标系对串并混联腿的摆动相进行足端轨迹规划,支撑相利用匀速直线运动进行规划.根据反解模型,计算出足端在髋关节全局坐标系下的足端轨迹.然后,基于混联腿的运动学逆解用Matlab编程计算得出串并混联腿的四个驱动函数.最后,把单腿模型导入到ADAMS中,添加约束、驱动后,利用ADAMS对串并混联腿进行运动仿真.结果显示,该混联腿的足端实现了零冲击规划的目标,且足端轨迹的速度、加速度平滑.由此表明仿真结果与理论结果相符,验证了该算法的合理性和有效性,为进一步研究四足机器人的步态规划和运动控制奠定了基础.     

肢腿履带足机构抬腿工况运动分析

针对一种新型肢腿履带足式机构跨越沟壑规划中抬腿工况的外摆、侧摆、内摆3种典型动作进行研究,将肢腿履带足式机构作为串联式机构,建立修正D-H模型并推导运动学方程,求解其工作空间,对其进行典型动作的正逆运动学求解与仿真模拟;同时应用LFPB法以前肢腿2为例进行了足端轨迹规划。结果表明,该机构铰接点坐标数值解和模拟解的相关系数(R)在0.99以上、平均相对误差(AARE)小于2.2%,验证了运动学方程的正确性;理论轨迹与仿真轨迹基本一致且平滑,验证了所规划轨迹的正确性及合理性。     

类四足移动机构的腿杆关节驱动力矩分析

根据二级半转机构原理设计1种新型类四足移动机构,该机构主要由车体支架、轮腿和轮腿支架三部分组成,其轮腿的各腿杆关节采用舵机直接驱动。针对该类四足移动机构的平地行走、垂直越障和原地转向运动的典型工况,建立相应的腿杆坐标系,分别对其轮腿的一级转臂、二级转臂和跨步杆进行受力分析,基于动静法建立相应的力学模型,并对各驱动关节所需驱动力矩进行仿真。仿真获得不同工况下轮腿机构各腿杆关节驱动力矩变化曲线,其中腿杆关节所需驱动力矩的最大值为0.645 5 N·m,通过计算得出原地转向时转向舵机所需驱动力矩为0.177 0 N·m。这些数据为以后驱动舵机的选型设计提供参考依据。     

六足步行机器人定半径转弯步态

将三角步态应用于六足步行机器人定半径转弯步态中,提出基于三角步态的定半径转弯步态规划方法,简化了六足步行机器人转弯步态.将利用重心直线段轨迹跟踪定半径圆轨迹的方法运用到六足步行机器人的定半径转弯步态中,提出基于稳定性约束和腿运动约束条件下的六足步行机器人最大转弯角度的求解方法.在六足步行机器人定半径转弯步态中,对于2组腿分别作为支撑腿转弯时,采用不同的转弯角度从而有效地利用机器人转弯过程中每步的转弯能力.利用MATLAB和ADAMS软件对基于三角步态的六足步行机器人定半径转弯步态进行仿真,仿真结果验证了提出的转弯步态规划方法的正确性.     

基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人轨迹规划与步态分析

本文提出一种基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人.用改进复合曲线法规划了机械腿足端行走点轨迹.在四足步行机器人的足端行走点沿前进方向的加速度曲线为正弦函数,沿竖直方向的加速度曲线为分段函数的情形下,通过对前进方向、竖直方向加速度曲线两次积分得到足端轨迹曲线.由足端轨迹曲线变化规律可以得到其运动过程无突变点,足端可以实现无冲击抬腿与着地.仿真实验表明足端速度与加速度曲线与理论曲线一致,验证了理论计算的正确性.使用ZMP方法,通过对比分析机器人在运动过程中的重心调整量以及稳定裕度值得到最优步态.该四足步行机器人具有运动平稳且灵活的特性,适用于田垄等崎岖路面上需要大的移动步幅来运输重物的应用场合.     

RRRobot的非完整运动规划

六足机器人RHex(Hexapod Robot)在平坦的地形上具有良好的运动性能,但在崎岖的地形上运动时,可能会被困住而无法运动.利用机器人腿的摆动可以克服和摆脱这种困境.为此,将六足机器人模型简化为RRRobot(Rocking and Rolling Robot)模型,在系统角动量为零的情况下,动力学方程降阶为非完整形式运动学方程.系统的运动控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.通过对腿的摆动设计从而使机器人本体达到转动的期望位置.数值仿真结果表明该运动规划对转动模型机器人是有效的.     

六足排爆机器人的机构设计与运动分析

由于排爆工作的危险性和复杂的工作环境,针对于提高复杂地形的运动能力设计了一款承载机构为六足机器人的排爆机器人.利用三维绘图软件SoildWorks绘制排爆机器人三维模型,构建机器人D-H参数坐标系,使用MTALAB对机构进行运动分析.为排爆机器人设计了抛物线足端轨迹和复合型足端轨迹两种轨迹规划的方式,应对平整和相对崎岖的两种路面情况.根据仿真结果的运动轨迹和关节信息分析两种路况下的足端轨迹空间和运动平稳性,验证了排爆机器人运动机构设计和足端轨迹的合理性.     

具有半球形足端的六足机器人步态修正算法

针对六足机器人步行时由于半球形足端滚动影响造成的机器人躯体轨迹偏差问题,提出一种步态修正算法.指出大半径半球形结构作为六足机器人的足端设计方案所具备的优势及其在支撑相中存在的足端滚动问题.通过提出理想立足点的概念,对三维空间内机器人单腿运动学模型进行修正,对理想立足点与实际立足点之间的偏差量进行分析,建立全方位步行时理想立足点与单腿各关节转角之间的运动学正/逆解关系.通过仿真对比分析修正前后单腿根关节运动轨迹,验证修正算法的有效性.实验结果表明,修正算法既能够更好地避免足端与地面产生相对滑动从而显著改善机器人步行时的方向偏离问题,又能够在一定程度上降低系统能耗.     

一种内啮合分置腿式步行轮及其运动特性

针对二级半转机构步行轮结构比较复杂的不足,提出基于半转机构的内啮合分置腿式步行轮方案,改转臂的外啮合传动为内啮合传动,同时采用腿杆分置。该步行轮的腿杆长与定轮直径的选择不受限制,拓展了步行轮适应性设计范围。对内啮合分置腿式步行轮的基本运动规律进行研究,提出位置参数的确定方法,计算足点坐标与步长,建立主轴运动方程;对内啮合分置腿式半转步行轮的行走起伏度进行分析,提出评价起伏度的一个指标——单位步长相对起伏度,得出腿杆长度与定轮半径的比值介于10与20之间时起伏度比较合理,可作为步行轮结构优化设计时确定腿杆长度与定轮直径的约束条件。     

仿水黾机器人划水腿刚柔耦合动力学建模与仿真研究

仿水黾机器人一般采用轻型材料制作并且是在较高速度下运行,构件的弹性变形将直接影响机器人系统的运动特性.本文采用假设模态法来描述划水腿的变形,在Lagrange方程的基础上建立仿水黾机器人驱动机构划水腿的刚柔耦合动力学模型,数值仿真曲线描绘出划水腿的柔性变形对末端轨迹的影响.该研究为该机器人今后进行主动控制,获得更快的运动速度,准确运行轨迹路线奠定基础.     

Step rolling planning of a six-legged robot with 1-DOF waist for slope climbing

Walking on inclined terrains or slopes is challenging for multi-legged robots. Robots should be able to handle more strict constraints imposed by the physical system than they do on flat terrains, such as smaller leg workspace and tighter stability margin. At the same time, robots need to autonomously generate constrained and stable motions to accommodate terrain inclination and unevenness. With regard to these issues, this paper provides a solution from two perspectives, mechanism design and planning methodology. The robot mechanism with a 1-DOF waist is firstly proposed to meet the requirements of the leg workspace and the static stability. After that, a step rolling planning scheme is introduced, in which the robot schedules its body planar 2D motion according to the human guidance and plans its elevation, roll, pitch as well as leg motions autonomously incorporating sensory feedbacks. The step rolling planning scheme ensures smooth and safe motion transitions from step to step.At last, simulations and experiments are carried out, demonstrating the effectiveness of our mechanical design and the proposed planning method.     

矢量法机构运动分析

矢量法机构运动分析是通过建立机构位移矢量关系进行机构运动分析的一种方法，它具有运动方程建立直观简单的特点。矢量法给出的是运动关系的函数表达式，这给机构运动全过程分析及计算机辅助分析机构运动提供了便利。     

Bionic Design and Simulation Analysis of Energy-Efficient and Vibration-Damping Walking Mechanism

节能减振步行机构的仿生设计及仿真分析

张锐¹,庞浩¹,何远^1,2,韩佃雷¹,文立阁³,江磊⁴,李建桥¹

（1. 吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130022;

2. 长春长光睿视光电技术有限责任公司,长春 130102;

3. 吉林大学 机械与航天工程学院,长春 130022;

4. 中国北方车辆研究所,北京 100072）

摘要：非洲鸵鸟能以60 km/h的速度持续奔跑30分钟,其后肢结构具有优良的节能、减振性能。为实现腿式机器人高效节能、缓冲减振的腿部机构的设计,根据鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性以及腿部的输出刚度可变特性,结合鸵鸟后肢结构的比例和尺寸,设计出了仿生刚-柔复合腿式机器人单腿结构。并且利用ADAMS软件模拟了仿生机械腿的运动。通过运动仿真分析,研究了内弹簧刚度系数在一定范围内的变化对机身质心垂直加速度以及电机功耗的影响,获得最佳的内弹簧刚度系数为200 N/mm,并进一步验证了内外弹簧机制能够有效地降低机械腿的能耗。仿真结果表明,采用内外弹簧机制能够有效降低电机约72.49%能耗。

关键词：工程仿生;仿生机械腿;被动回弹特性;刚-柔复合结构;节能减振

     

一种跳跃机器腿的设计

提出了一种跳跃腿机构.为减轻质量,降低能耗,采用单电机驱动方式,通过分时控制实现机构的跳跃、空中收腿和能量调节动作.在结构设计中采用五杆机构作为腿部执行机构,并增加了脚掌和跗跖关节以保证跳跃和着陆时的稳定性.结合仿真分析了其跳跃过程及各阶段的关键动作,最后对机器腿进行了跳跃实验,实验证明:其具有很好的跳跃能力及较高的跳跃效率,能实现空中收腿动作以及稳定着陆.     

柔性机构连接杆单元特性分析

本文介绍了机构位置变化对不同坐标系中运动参数变换的影响,对弹性杆梁单元的动能作了较为精确的计算;在未忽略惯性耦合项的基础上,导出了梁单元的运动方程式。该方程克服了目前应用的方程式的不足,可以比较全面地用来预测柔性机构系统的运动特性和动力特性。     

助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真

结合并联腿步行机器人和可重构机器人的优点,设计了一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人,进行了该机器人的构型设计。以四足并联腿步行机器人为研究对象,根据步行机器人整机的结构特征和基本并联腿的运动特征,将整机的运动学问题转化为单个并联腿的运动学问题,建立了机器人整机系统的完整的运动学模型,进行了机器人在爬行步态下的仿真分析,得出了驱动器杆长的仿真曲线。该项研究为四足并联腿步行机器人整机的动力学分析和控制奠定了一定的基础。     

不确定性下平面四杆转向机构的运动精度分析

为评价平面四杆转向机构在不确定因素影响下的运动精度,提出应用概率理论对机构运动误差进行建模与分析.基于平面四杆转向机构的运动学分析,考虑机构构件尺寸几何公差建立平面四杆转向机构的运动误差概率模型和可靠性模型,并应用一次二阶矩方法对机构运动精度可靠性模型进行求解,从概率的角度研究了平面四杆转向机构的运动精度.     

Analysis and comparison of three leg models for bionic locust robot based on landing buffering performance

Good landing buffering performance can reduce impact and vibration for the bionic locust jumping robot; thus, a landing buffer is important in evaluating the motion performance of the bionic locust robot. In particular, the legs of the robot are the main structures that realize the buffer; thus, its structure affects buffering performance. Three typical leg structure models are established based on the physiological analysis of the locust leg and research status, namely, bionic leg, multi-constraint leg, and arc legs. Kinematic and force analyses are conducted for these types of legs. Particularly, flexible deformation of leg link is considered in the analysis to describe the movement process accurately. In order to compare the buffering performance of these types of legs quantitatively, the performance indices with maximum buffering distance, the energy absorption capability, and the mechanical property are presented. Based on the performance indices, the structure parameters are analyzed and optimized. The buffering performance of the three leg structures is compared with the comprehensive performance of different structures in each best state. This study offers a quantitative analysis and comparison for different legs of bionic locust jumping robot based on landing buffering performance. Furthermore, a theoretical basis for future research and engineering applications is established.     

Kinematic synthesis method for the one-degree-of-freedom jumping leg mechanism of a locust-inspired robot

The one-degree-of-freedom(DOF) mechanism has a simple structure, convenient control, and high stiffness, and it has been applied in many micro jumping robots. Meanwhile, the six-and eight-bar mechanisms can satisfy more complex motion requirements than the four-bar jumping leg mechanism and they have good application prospects. However, the lack of effective design methods limits the application range of these mechanisms. In this work, a type and dimensional integration synthesis method was proposed with the one-DOF six-bar leg mechanism as the research object. The initial tibia and femur were determined based on the kinematic chain atlas, and configuration design was implemented through the superposition of links.When a closed chain was formed in the superposition process, the feasible range of the link length was analyzed by considering the constraint conditions. The proposed method innovatively establishes the relationship between the kinematic chain atlas and the configuration, and the feasible length ranges of the links can be quickly obtained simultaneously. Several examples were provided to prove the feasibility of the kinematic synthesis method. This method provides a useful reference for the design of one-DOF mechanisms.