四足机器人步态分析及仿真实现

为实现一种液压驱动的四足机器人稳定行走,根据机器人稳定裕量原则,针对JQRI00四足机器人进行了步态规划。根据前期对四足机器人的结构设计,建立了JQRI00四足机器人的虚拟样机;针对其结构特点,分别设计了四足机器人在进行直线行走和转弯时的步态规划,应用ADAMS对虚拟样机进行了直线步态仿真。仿真结果准确、合理,表明所研究的步态规划正确、可行,能够实现四足机器人稳定行走,为机器人后期进行驱动控制奠定了基础。     

四足机器人步态生成算法研究与仿真

在四足机器人行走动态控制的研究中,为使四足机器人能在复杂地面状况下行走,提出了一种四足机器人在不平坦地面爬行时的平动步态生成算法.首先构建四足机器人步行机构模型,根据静态稳定性对角线原理的判定确定机器人腿的摆动顺序;以平动步态为例根据机器人前行方向、初始位姿、地面不平坦等因素计算一个步态周期后机器人的位姿从而实现平动直线行走的连续步态算法.考虑了机器人机构约束以及状态变化因素使机器人在每一个步态周期都能跨出尽可能大的步幅实现行走效率的最大化.通过仿真验证了算法的正确性.仿真结果对四足机器人步态稳定性的研究及实现具有实际的参考价值.     

基于静平衡的四足机器人直行与楼梯爬越步态

为提升四足机器人的障碍爬越能力,采用稳定裕度作为四足机器人静态稳定的判据,以落足点形成的 象限边界明确了不同初始位姿机器人的迈腿可能性．基于迈腿次序将所有步态划分为24 种类型．利用运动空间需 求最小、稳定裕度最大、步态协调性最好3 个基本评价指标,对四足机器人的24 种基本步态进行了对比分析．提出 了基于投影分析法结合平面静平衡步态理论的楼梯爬越步态研究方法,并以上述3 个特性参数最佳为要求,对楼梯 爬越步态进行了系统仿真,所得结果为四足机器人的直行与楼梯爬越步态选择提供了理论依据．实验表明了所研究 方法的有效性．     

仿蟹机器人步态分析与仿真

在仿蟹机器人的行走控制中,步态的选择对机器人的稳定快速行走具有至关重要的作用。本文对仿蟹八足机器人的基本步态进行了分类,并进一步对八足波形步态进行分析,得出八足步行机器人在采用双四足步态的行走方式时,既可以满足速度的要求,又可以保证机器人的稳定性。通过计算机软件ADAMS对所选步态进行全局仿真,结果验证了步态规划的合理性,同时得到了机器人相关物理量的变化曲线,为进一步选择电机,分析机器人系统的动态特性提供了依据。     

基于虚拟样机技术的四足机器人静态稳定步态规划

针对现有技术文献中广泛使用的多种静态稳定步态中速度稳定性与稳定裕度不可兼得的通病,在随动质心的静态步态基础上,利用参数化坐标变换矩阵方法规划出一种四足机器人前进过程中质心以曲线轨迹移动的静态步态方法,使该步态方法以连续性速度运动的过程中保证一定稳定裕度;通过D-H法求得四足机器人的逆运动学坐标变换矩阵,分别在三维空间中对四足机器人的四组足端轨迹方程进行规划,并带入MATLAB软件后以逆运动学方程计算出关节夹角驱动方程,利用步态规划图求出机器人四条腿各自对应的夹角驱动方程以及机体质心轨迹方程;最后在MSC.ADAMS软件中建立四足机器人虚拟样机并对规划的步态进行虚拟仿真,仿真结果验证了该步态对提升四足机器人对于速度连续性以及稳定裕度的提升。     

双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究

针对腿足式爬壁机器人在壁面过渡时的步态规划问题，以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究对象，在步态分析的基础上，基于有限状态机建立了机器人的步态模型，进而提出了基于加权插值和BP神经网络的双足爬壁机器人壁面凹过渡在线步态规划算法，为提高机器人壁面过渡的自主控制能力奠定了基础．仿真分析和实验结果表明，该步态规划算法对于实际的机器人系统是有效的和可行的。     

基于余弦振荡器的四足机器人步态生成与仿真

为实现四足机器人的稳定运动,基于四足机器人对角步态的几何模型,建立余弦振荡器,生成节律运动的上层架构以及上、下层之间的关节映射,得到完整的步态生成策略,并建立四种关节配置形式的机器人虚拟样机模型,进行运动学和动力学仿真.仿真结果表明,基于余弦振荡器的步态生成方法能够满足各种关节配置形式的机器人步态要求,验证了步态生成方法的正确性和普遍适用性,且根据机体波动率的比较,确定前肘后膝式具有更好的稳定性.     

基于Adams的六足爬壁机器人的步态规划与仿真

针对桥梁检测的要求,设计出了一种可以在桥底爬行和检测的六足爬壁机器人,通过对六足爬壁机器人运动机理以及腿部结构的理论分析和研究,提出了适应于桥底爬行的横向三角步态和横向四角步态.其中横向四角步态是从横向三角步态改进而来的,与横向三角步态相比,横向四角步态有更好的稳定性和安全性,更适用于桥底作业的这种工作环境.采用UG设计软件和Adams仿真软件相结合的方式分别对以上两种步态进行了仿真,实验结果表明了所提出步态的有效性.     

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。     

基于四足机器人的运动步态研究

本文主要研究基于四足机器人在运动时的步态控制方案,研究对象主要是由舵机或步进电机为驱动的四足机器人。针对于四足机器人的四肢运动方式、速度、承重、效率等方面进行研究,针对于小型或微型的四足机器人进行运动时的步态控制方案,并对四足机器人进行腿部模型构建,进行逆运动学分析,根据公式判断机器人相应腿部关节运动方案。该研究将应用于家庭服务或工厂运输的四足机器人运动解决方案上,为不同结构、不同驱动以及不同类型的四足机器人提供更加高效和灵活的步态控制方案。     

Demonstration and Analysis of Quadrupedal Passive Dynamic Walking

Animals, including human beings, can travel in a variety of environments adaptively. Legged locomotion makes this possible. However, legged locomotion is temporarily unstable and finding out the principle of walking is an important matter for optimum locomotion strategy or engineering applications. As one of the challenges, passive dynamic walking has been studied on this. Passive dynamic walking is a walking phenomenon in which a biped walking robot with no actuator walks down a gentle slope. The gait is very smooth (like a human) and much research has been conducted on this. Passive dynamic walking is mainly about bipedalism. Considering that there are more quadruped animals than bipeds and a four-legged robot is easier to control than a two-legged robot, quadrupedal passive dynamic walking must exist. Based on the above, we studied saggital plane quadrupedal passive dynamic walking simulation. However, it was not enough to attribute the result to the existence of quadrupedal passive dynamic walking. In this research, quadrupedal passive dynamic walking is experimentally demonstrated by the four-legged walking robot 'Quartet 4'. Furthermore, changing the type of body joint, slope angle, leg length and variety of gaits (characteristics in four-legged animals) was observed passively. Experimental data could not have enough walking time and could not change parameters continuously. Then, each gait was analyzed quantitatively by the experiment and three-dimensional simulation.     

新型仿生六足机器人导航系统的建模与仿真

针对新型仿生六足机器人工作任务和作业环境的要求,设计了一种基于INS-GPS器件的专用组合式导航系统。该导航系统采用集中开环式组合方式,以INS和GPS器件输出的导航数据差作为滤波器的输入值,运用经典卡尔曼滤波理论对该导航系统进行了实时修正,并根据仿生六足机器人运动特性和测量任务的要求,建立了该导航系统的位置、速度组合测量方程,并运用MATLAB软件进行了仿真,仿真结果表明:采用该组合式导航系统可大大提高仿生六足机器人的导航精度,为仿生六足机器人实现智能化、实时化控制奠定了基础。     

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一, 联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面. 能量耗散描述了环境交互作用, 能量转换对应着运动的动力学过程, 能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性. 提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法-被动蜿蜒. 通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小. 仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性, 并对控制力矩进行了递归分析. 基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统. 进行了移动实验和拖动实验, 前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载. 仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.     

A Wireless Robotic Endoscope for Gastrointestine

In recent years, an intelligent noninvasive endoscope has been felt necessary for early diagnosis of malignant tumor in gastrointestine (GI). It is our purpose to develop a microwireless robotic endoscope to examine the human GI. The presented robot's diameter and length is 10 and 190 mm, respectively. A locomotion principle based on biomimetic earthworm is adopted for a higher adaptability to the GI. The robot is composed of three linear driving cells. A micromotor, a reducer, and a microscrew pair mechanism are integrated into each cell. Multijoints are used to connect every two driving cells for robot's high flexibility. The robot's energy is continuously supplied in real time by an energy transmitting system based on electromagnetic coupling. Experiments on the energy transmission and locomotion are performed to test the power transferring volume and locomotion effect in GI. The experiments indicate that the minimum received power, 400 mW, is obtained in a cylindrical space with 200 mm diameter and 200 mm length. In vitro experiments in a pig intestine indicate that this robot can move forward or backward effectively. This paper provides a good prototype for the deeper research on locomotion theory and energy transferring technology in vivo in future.     

Sensing through body dynamics

It has been shown that sensory morphology and sensory–motor coordination enhance the capabilities of sensing in robotic systems. The tasks of categorization and category learning, for example, can be significantly simplified by exploiting the morphological constraints, sensory–motor couplings and the interaction with the environment. This paper argues that, in the context of sensory–motor control, it is essential to consider body dynamics derived from morphological properties and the interaction with the environment in order to gain additional insight into the underlying mechanisms of sensory–motor coordination, and more generally the nature of perception. A locomotion model of a four-legged robot is used for the case studies in both simulation and real world. The locomotion model demonstrates how attractor states derived from body dynamics influence the sensory information, which can then be used for the recognition of stable behavioral patterns and of physical properties in the environment. A comprehensive analysis of behavior and sensory information leads to a deeper understanding of the underlying mechanisms by which body dynamics can be exploited for category learning of autonomous robotic systems.     

参数化优化的仿人机器人相似性前向倒地研究

提出了一种基于运动相似性的仿人机器人前向倒地动作设计方法.首先,分析了运动相似性并提出了关键姿势同步转换方法; 其次,为机器人前向倒地运动四级倒立摆建立了相似性变换条件下的动力学约束方程与关联的物理条件约束; 再次,引入参数化优化控制与强化技术,对机器人的触地过程进行了参数化优化.实验结果表明了该方法的有效性.     

摇杆式履带悬架的构型推衍及其在煤矿救灾机器人上的应用

为使机器人行走机构既能被动地适应崎岖的非结构地形,又能克服台阶、沟道等规则障碍,将履带行 走机构引入摇杆式移动系统中．通过增加摆臂履带和固定关节角,推衍了多种型式的摇杆式履带悬架构型,分析了 各悬架构型的特点．结合煤矿井下非结构的地形环境与爆炸性气体环境,提出了一种采用对称的W 形履带悬架的 摇杆式履带机器人移动系统,并制作了样机．分析了该移动系统的抗倾覆、攀爬台阶、下台阶、跨越沟道等越障特 性并进行了性能试验．性能分析与样机试验表明,摇杆式履带机器人移动平台可适应复杂的非结构地形,具有良好 的越障性能,可攀爬100 mm 高的台阶,下450 mm 高的台阶,跨越260 mm 宽的沟道．     

基于中枢模式发生器的仿生机器狗步态控制的应用研究

由于人工规划产生的步态是比较僵硬的、缓慢的,缺乏灵活的自组织能力,与真正的动物步态存在很大差别;文章提出了机器狗生物步态的概念;以生物的中枢模式发生器CPG模型为核心建立仿生四足机器狗运动控制系统;根据哺乳动物的肢体运动关系,建立机器狗膝髋关节运动关系方程,并设计系统软硬件;设计的控制器能够有效地克服机器狗关节轨迹跟踪控制中耦合、力矩非线性等因素的影响,且具有自适应能力;通过仿真验证了应用于机器狗的生物CPG控制机理的控制方法是有效的。     

“穿地龙”机器人的计算机仿真系统研究

以“穿地龙”机器人计算机仿真系统为背景,研究了利用OpenGL实现仿真过程中的几个关键问题,同时编制了机器人运动过程的图形仿真程序,实现了机器人运动过程计算机仿真,获得了较理想的仿真结果,为进一步进行机器人研究工作提供了新的条件。     

Basic considerations of the degrees of freedom of multi-legged locomotion machines

All multi-legged locomotion machines that do not need any dynamic balance control can be classified functionally into several levels. We define the minimum walking functions of multilegged locomotion machines as follows: (i) two-dimensional walking; (ii) keeping the body horizontal on irregular terrains; (iii) keeping the absolute height of main body constant. Our main interest is in how many active degrees of freedom are necessary and sufficient to realize the above functions. Although consideration of the degrees of freedom seems to be fundamental in developing multi-legged locomotion machines, this problem has not yet been studied. The active degrees of freedom are examined in this paper using a four-legged machine which offers the minimum number of legs necessary to maintain static stability. It is shown that six active degrees of freedom are necessary and sufficient to realize the above functions.