基于Pro/E和ADAMS的双足步行机器人造型及仿真研究

对步行机器人的双足进行了三维造型及运动仿真研究。首先利用通用软件Pro/E对人形机器人支撑受力部位腿部进行了三维造型的设计与装配,并在相应软件中检测了装配的正确性及精确度。然后根据ZMP稳定判据分析得出机器人步行的稳定性条件,最后将腿部模型其导入ADAMS中并对其进行了步行运动仿真。研究结果表明,所设计的步行机器人双足关节转角插值正确合理、无干涉,能够较好满足双足机器人的步行需要,论文成果具备一定参考价值和积极意义。     

液压驱动六足机器人一种低冲击运动规划方法

足地接触冲击对大尺度重载足式机器人的运动性能影响显著。针对液压驱动六足机器人,以低冲击平顺运动为目标,提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规划方法。基于仿生构型和运动学模型推导腿部关节的角度函数,根据液压缸铰点布置和腿部机构几何关系推导出各液压缸活塞杆的位置控制函数,分析表明关节和液压缸运动平稳,速度、加速度无突变。基于Vortex搭建机器人仿真平台,采用该方法实现了步行过程的仿真模拟,机体稳定前移过程中的垂向起伏微小,侧向偏移率约为2.1%。将该方法应用于开发的六足机器人原理样机,进行野外自然环境行走测试,各关节按预定轨迹平稳运动,足端受力合理。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了提出的运动规划方法合理可行。     

四足机器人腿部机构运动学分析与实现

通过研究犬类骨骼结构,确定了机器人关节数和腿部机构简图,提出一种四足机器人腿部机构运动学分析和实现的方法.对机器人进行运动学建模,借助模型进行了机器人正逆解计算以及求出腿部机构关节转角与电机转圈数之间的关系.借助ADAMS动力学仿真软件,验证单腿机构的运动起立过程和关键参数变化规律,逆向运动学仿真得到了关节扭矩等关键数据,设计了以滚珠丝杆为传动机构的腿部结构.实践表明,该机构的设计方法有利于仿生机器人的研究与发展.     

四足机器人腿部机构运动学分析与实现

通过研究犬类骨骼结构,确定了机器人关节数和腿部机构简图,提出一种四足机器人腿部机构运动学分析和实现的方法.对机器人进行运动学建模,借助模型进行了机器人正逆解计算以及求出腿部机构关节转角与电机转圈数之间的关系.借助ADAMS动力学仿真软件,验证单腿机构的运动起立过程和关键参数变化规律,逆向运动学仿真得到了关节扭矩等关键数据,设计了以滚珠丝杆为传动机构的腿部结构.实践表明,该机构的设计方法有利于仿生机器人的研究与发展.     

四足机器人腿部机构运动学分析与实现

通过研究犬类骨骼结构,确定了机器人关节数和腿部机构简图,提出一种四足机器人腿部机构运动学分析和实现的方法.对机器人进行运动学建模,借助模型进行了机器人正逆解计算以及求出腿部机构关节转角与电机转圈数之间的关系.借助ADAMS动力学仿真软件,验证单腿机构的运动起立过程和关键参数变化规律,逆向运动学仿真得到了关节扭矩等关键数据,设计了以滚珠丝杆为传动机构的腿部结构.实践表明,该机构的设计方法有利于仿生机器人的研究与发展.     

基于足端轨迹的仿生四足机器人运动学分析与步态规划

设计了一种电驱动四足仿生机器人,构造了具有主被动自由度、基于电动缸驱动的机器人腿部关节结构。对机器人进行运动学建模,并借助其运动学模型进行机器人正逆运动学计算,求解出了机器人腿部各个关节的转角函数。针对四足机器人的行走特点,提出一种四足机器人步态规划方法。经过对机构几何关系的分析计算,得到腿部各个关节电动缸位移量驱动函数。仿真实验结果表明,四足机器人在该种算法下可实现连续平稳的行走,初步验证了所提轨迹规划方法、步态及机构设计的合理性和有效性。     

基于3-UPU六足步行机器人的步态规划

提出一种基于非对称3-UPU并联机构的新型六足步行机器人,其具有承载能力大、通过能力强、控制容易等优势。首先,对六足步行机器人进行结构设计,然后,综合考虑机器人的稳定性和腿部干涉两种情况,设计了最大横向移动步幅。还对六足步行机器人进行了步态规划,包括机器人两组腿的占空系数、运动次序、运动步幅、运动轨迹及各分支等效杆长随机器人的移动的变化。     

电液驱动六足机器人三维空间力学分析

建立了六足机器人的腿部机构三维空间模型,对其关节液压缸设计优化问题进行了讨论。接着进一步建立了腿部机构力学模型,通过对静力学分析得到了机器人稳定状态时各关节的输出力矩特性,同时采用拉格朗日方法对机器人单腿机构进行了动力学分析,得到了单腿结构在运动过程中各关节的输出力矩特性。最后根据动力学分析结果用ADAMS软件对单腿机构进行了足端轨迹和腿部位姿仿真,仿真结果验证了腿部结构的运动平稳性,为后续研究工作提供了理论支撑。     

基于过路径点的三次多项式插值函数的仿蜘蛛机器人足路径规划

针对复杂隧道环境中机器人的避障问题,提出使用过路径点的三次多项式插值算法对机器人足运动路径进行规划。设计了一个能在隧道空间灵活运动的18关节六足仿蜘蛛机器人,运用D-H建模方法对仿蜘蛛机器人足进行运动学建模,并推导了逆运动学方程式,基于蒙特卡洛法对足端可达空间进行仿真分析,并基于过路径点的三次多项式插值算法对机器人足避障轨迹进行路径规划仿真。仿真结果表明,在仿蜘蛛机器人足路径规划中应用过路径点的三次多项式插值方法能保证步行足运动动作的平滑性,从而避免了因力矩突变引起的冲击作用,同时足端能通过路径点以满足避障要求。     

双足机器人平地行走步态规划的研究

为了研究双足机器人平地行走过程中的步态规划问题,在二维倒立摆模型的基础上提出了周期、起步和止步三步规划法,并利用速度和位移约束实现了三个步行阶段的平稳过渡,利用倒立摆简化模型和五次样条多项式插值方法得到各个阶段质心和摆动腿踝关节的轨迹,再根据腿部关节转角简化模型利用几何法求得双足机器人的10个关节角运动轨迹;最后通过ZMP方程检验并在Matlab软件中仿真,验证步态规划的合理性并为机器人后续虚拟样机研制和仿真提供理论依据。     

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。     

可穿戴式下肢助力机器人运动学分析与仿真

可穿戴下肢助力机器人是将人和机器人机构结合在一起,通过获取人体下肢运动行为信息来控制机器人机构与人体协调、同步行走,并实时为人体下肢提供助力的一种装置。可穿戴下肢助力机器人机械系统不仅符合以往的拟人机器人行走机构的设计要求,又要与人体下肢系统相匹配,为人体提供助力时,与人体下肢相协调、互不产生运动干涉。基于人体下肢各关节运动参数,对助力机器人机械系统进行了运动学分析并建立了模型,通过对人体下肢运动仿真,验证了所建立的运动学模型的可行性。     

Biped walking robot based on a 2-UPU+2-UU parallel mechanism

Existing biped robots mainly fall into two categories： robots with left and right feet and robots with upper and lower feet. The load carrying capability of a biped robot is quite limited since the two feet of a walking robot supports the robot alternatively during walking. To improve the load carrying capability, a novel biped walking robot is proposed based on a 2-UPU＋2-UU parallel mechanism. The biped walking robot is composed of two identical platforms（feet） and four limbs, including two UPU（universal-prismatic-universal serial chain） limbs and two UU limbs. To enhance its terrain adaptability like articulated vehicles, the two feet of the biped walking robot are designed as two vehicles in detail. The conditions that the geometric parameters of the feet must satisfy are discussed. The degrees-of-freedom of the mechanism is analyzed by using screw theory. Gait analysis, kinematic analysis and stability analysis of the mechanism are carried out to verify the structural design parameters. The simulation results validate the feasibility of walking on rugged terrain. Experiments with a physical prototype show that the novel biped walking robot can walk stably on smooth terrain. Due to its unique feet design and high stiffness, the biped walking robot may adapt to rugged terrain and is suitable for load-carrying.     

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。     

An eight-degree-of-freedom upper extremity exoskeleton rehabilitation robot: design,optimization, and validation

Upper extremity exoskeleton rehabilitation robots can be used for the training of patients with upper extremity motor dysfunction. In most cases, the design of such robots focuses on the configuration and the human-machine compatibility. For patients, the use of an exoskeleton rehabilitation robot mainly aims to improve their movement ability, which depends on the range of movement of the upper extremity joints. This paper proposes an eight-degree-of-freedom (DOF) upper extremity exoskeleton rehabilitation robot to improve the movement range of the patient’s upper extremity joints. The structural parameters of the shoulder joint are optimized and analyzed by the kinematic equations of the mechanism and the cyclic iteration algorithm such that the movement range of the patient joint can be maximized. The movement space of the robot is then simulated. Finally, the movement range of the rehabilitation robot joints and the movement space of the rehabilitation robot were measured. Experimental results show that the upper extremity exoskeleton rehabilitation robot can meet the patient’s shoulder, elbow, and wrist movement range, and the overlap with the human upper extremity movement space is 97.1 % and 95.7 % in the coronal and sagittal planes, respectively.

     

用于抗洪打桩的四足机器人结构设计

为解决抗洪抢险打桩中机构进入现场的问题,建立了一种四足机器人的结构设计方案。对四足机器人的结构进行了分析,建立了机架、腿、关节以及足的4部分组成结构,该机器人单腿采用三关节三自由度结构,机架与胯部、胯部与上臂、上臂与下臂分别采用3个转动副连接,并在结构设计的基础上对JQR100四足机器人进行了驱动方式设计以及逆运动学分析,为步态规划和运动学分析打下了基础。研究结果表明,JQR100四足机器人足底能够达到一定范围空间内的任意位置,机器人能够满足抗洪抢险进入现场和进行自由运动的要求。     

人形机器人建模与步态规划

目前人形机器人控制的难点主要集中在:关节扭矩不够,运动稳定性不佳等方面。针对以上问题,提出了以下解决方案:针对关节扭矩不够选取了大扭矩电动机的同时,采用三次样条差值使运动轨迹更加平滑,减小输出扭矩。采用ZMP来观察运动轨迹,改善运动的稳定性。同时,由于人形机器人运动稳定性不佳,容易摔倒,使用ODE物理引擎在Labview中建模与仿真,进行更加方便的进行步态规划的研究。最终实现了仿真平台下人形机器人的稳定行走。     

Perception of effective contact area distribution for humanoid robot foot

Maintaining dynamical stability for humanoid robots to walk or run in even environments has so far been achieved. However, it will become a challenge work to keep balance under rough terrains, because the effective contact area (ECA) between the feet and the uneven environments is less than that on even ground. Thus some control schemes are additionally needed for robot to keep dynamical balance, which increases the complexity of control. In view of that, flexible force sensor array (FFSA) system is adopted under robot feet to detect the ECA in the case of stepping on rough terrains. Structure optimum, data acquisition, processing methods, etc., of the FFSA system are all elaborately provided in this paper. And the feasibility and validity of the FFSA system mounted in the robot foot system are experimentally tested on the humanoid robot platform BHR-2.     

四足机器人对角小跑步态动态稳定步行足端非连续约束及动力学建模

将四足机器人对角小跑步态周期分为摆动相和支撑相,采用D-H坐标法进行四足机器人运动学建模分析,提出基于质心运动定理分析腿机构处于支撑相的足端非连续约束力,通过力雅可比矩阵建立足端约束力与关节广义驱动力的映射关系。考虑足端与环境间的非连续约束,建立了具有变拓扑机构、非连续约束等特征的四足机器人非线性动力学模型,并通过虚拟样机仿真验证了动力学理论分析的正确性,为提高四足机器人非结构环境的机动性和动态稳定性研究提供了参考。     

Motion capability analysis of a quadruped robot as a parallel manipulator

This paper presents the forward and inverse displacement analysis of a quadruped robot MANA as a parallel manipulator in quadruple stance phase, which is used to obtain the workspace and control the motion of the body. The robot MANA designed on the basis of the structure of quadruped mammal is able to not only walk and turn in the uneven terrain, but also accomplish various manipulating tasks as a parallel manipulator in quadruple stance phase. The latter will be the focus of this paper, however. For this purpose, the leg kinematics is primarily analyzed, which lays the foundation on the gait planning in terms of locomotion and body kinematics analysis as a parallel manipulator. When all four feet of the robot contact on the ground, by assuming there is no slipping at the feet, each contacting point is treated as a passive spherical joint and the kinematic model of parallel manipulator is established. The method for choosing six non-redundant actuated joints for the parallel manipulator from all twelve optional joints is elaborated. The inverse and forward displacement analysis of the parallel manipulator is carried out using the method of coordinate transformation. Finally, based on the inverse and forward kinematic model, two issues on obtaining the reachable workspace of parallel manipulator and planning the motion of the body are implemented and verified by ADAMS simulation.