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。     

欠驱动弹跳机器人最优运动姿态的驱动器配置

研究了具有一个被动关节的三关节单腿欠驱动弹跳机器人的轨迹规划问题。首先建立欠驱动机器人在着地阶段的动力学模型;然后采用数值迭代的方法,以主动关节驱动力矩最小为优化目标,得出了机器人各关节转角的运动规律;最后通过仿真得到三种驱动器配置情况下机器人的关节转角运动规律、姿态图以及驱动力矩,并对其进行了分析比较。结果表明：所提出的运动规划方法是可行的,采用髋关节和踝关节驱动是三种驱动器配置中最合理的情况。     

仿袋鼠跳跃机器人着地阶段的动力特性研究

根据袋鼠的生理结构及运动特征,提出了仿袋鼠跳跃机器人的单腿模型,建立了相应机构在着地阶段的运动学和动力学方程.结合实例,用MATLAB计算了机器人在着地阶段关节力矩和地面作用力随时间变化的规律,并对其进行了分析和讨论.结果表明:踝关节的输入力矩是膝关节的2.5倍,是髋关节的6倍,因此踝关节的驱动力矩是整个机器人完成跳跃的决定因素之一.此动力学研究结果为仿袋鼠跳跃机器人的设计分析及跳跃运动的精确控制提供了理论基础.     

机器人仿生膝关节的计算力矩加比例微分反馈控制

磁流变阻尼器控制的四连杆关节瞬时转动中心是变化的,仿生特性好,但机构模型复杂,模拟人腿关节运动时变轨迹跟踪较为困难.基于此,提出行走机器人四连杆仿生膝关节机构,建立虚拟样机、机构动力学简化模型和磁流变阻尼器Bingham模型.基于瞬时转动中心和简化的关节几何中心,引入大小腿长度变化以减少模型误差.设计计算力矩加比例微分反馈控制算法来控制关节摆动.采用Lyapunov方法,分析在模型存在误差情况下,控制算法的收敛性和跟踪误差大小.在虚拟样机上对阻尼力和关节摆动运动进行仿真,在样机上对控制算法进行验证.试验结果表明,引入瞬时中心和几何中心,可降低模型误差,控制算法轨迹跟踪精度能满足行走机器人行走要求.     

基于虚拟样机技术的4足机器人机构设计

为了研制适应各种路况、并能负荷更大负重的足式机器人,设计了一种以液压驱动的四足机器人机构,确定了机构设计和液压系统的关键参数,其中腿机构设计是关键部分。通过建立数学公式分析了机器人各关节运动所输出的力及力矩,并采用虚拟样机技术对液压驱动4足机器人进行建模和行走仿真,通过测量仿真机器人各关节力及力矩等数据,验证了机构设计参数选取的合理性及所选择的液压系统满足设计要求。     

仿青蛙游动机器人动力学分析

仿青蛙游动机器人的动力学分析,是研制仿青蛙水下机器人的基础。通过对所研制的仿青蛙游动机器人机构进行简化,建立机器人系统运动学模型。在此基础上,利用拉格朗日法建立机器人系统的动力学方程,通过逆动力学分析将前期生物青蛙观测实验获取的各关节运动轨迹转化为各关节驱动力矩,最后通过对比分析分别利用MATLAB和ADAMS得到的各关节驱动力矩在一个运动周期内的变化曲线,不仅验证了动力学方程的正确性,也为后期机器人控制系统的设计提供了理论依据。     

仿蟋蟀微型机器人起跳过程驱动力特性的研究

针对蟋蟀生物体的结构和跳跃运动特点,利用扭转弹簧模拟其腿部关节柔性和肌肉的储能作用,得到了具有关节柔性的仿蟋蟀跳跃机器人的机构模型。应用拉格朗日法建立机构在着地阶段起跳过程中的动力学方程并对驱动力特性进行了仿真分析。结果分析表明:FT关节的驱动力矩大约是BF关节和TT关节的近3倍,因此FT关节的驱动力矩是完成跳跃的决定因素之一;利用柔性机构可降低跳跃运动所需关节驱动力矩和能量的消耗。     

基于推拉式软轴传动的外骨骼机械系统研究

针对近年来老年人数量急剧增加而带来的对助老助残工具的迫切需求,从仿生的角度设计了一款外骨骼助力机器人。在确定使用推拉式软轴驱动运动关节后,首先完成了外骨骼机器人肩肘部关节等结构和机构的设计;随后对踝关节等柔性驱动进行设计,并对各个关节的活动范围进行了分析。最后在动力学仿真软件中对外骨骼机器人腿关节运动、足端运动进行了动力学分析和行走步态的运动学分析,证明了该机器人在运动平稳性和速度稳定性方面能够满足其作为助力工具的需求。     

2自由度手臂康复机器人运动学及动力学分析

针对上肢康复训练需求,设计一种采用二连杆串联结构的2自由度手臂康复机器人。基于D-H法对机器人的正、逆运动学进行理论分析,采用Matlab/Simulink和SimMechanics工具箱分别搭建机器人的正逆运动学理论模型与机构模型进行仿真对比,分析结果验证了机器人运动学建模的正确性。结合人体工程学相关标准和手臂关节运动范围要求,建立机器人与手臂机构的联合仿真模型,确定机器人的工作空间;并完成机器人进行画圆训练的轨迹规划,为机器人运动控制奠定了基础。基于联立约束法建立机器人的动力学模型,确定了机器人各关节驱动力矩大小,为驱动电机选取和控制器参数选择提供了依据。     

基于ADAMS的仿生机器蟹步行腿运动学和动力学分析

本文根据生物蟹原型设计了一种仿生机器蟹,通过分析其步行腿的关节变量和连杆参数信息,采用D-H方法建立连杆坐标系,并根据齐次坐标变换和拉格朗日方程分别推导出其运动学和动力学方程,从而得到关于连杆的位姿和驱动力矩、角速度、角加速度等规律信息。利用动力学分析软件ADAMS对所建模型进行仿真验证,以分析其运动性能,对进一步研究这种机器人的动态性能、运动控制和机构优化等方面具有重要意义。     

四足侦察机器人的设计与研究

针对便携式、微型化多地形适应型侦察设备的迫切需求,从仿生的角度设计出了一款四足侦察机器人。在确定采取外肘内膝总体对称布置后,首先完成了机器人腿部、支架和外壳等机构和结构件设计;随后对其中的腿部支撑、传动减振和关节驱动函数进行了设计说明;最后在动力学仿真软件中对四足机器人腿关节运动、整机运动、足端运动进行了运动学分析和慢跑步态的动力学分析,证明该机器人在运动平稳性和速度稳定性方面能够满足侦察设备的要求。     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析

针对当前下肢瘫患者众多而康复师和智能化康复设备短缺的状况,设计出多关节、坐/卧式下肢康复机器人。该机器人包括一个靠背角度可自动调节的座椅和两条外骨骼型机械腿,可适应不同身高和胖瘦的患者。详细介绍了该机器人的结构及功能,包括机器人的技术参数;机械腿髋、膝、踝三个关节及足部的结构和驱动方式;大腿和小腿长度调节机构;关节旋转角度的三重安全保护措施;电测、电控硬件的布置。建立人/机一体化模型,对机器人的运动学和动力学进行理论分析,并结合ADAMS软件进行运动学和动力学仿真;临床试验表明该机器人设计方案的可行性、安全性,并验证计算和仿真结果的正确性,但是其疗效还需要进一步验证。最后分析关节力矩产生测量误差的主要原因。     

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。     

基于球面并联机器人空间定位技术的动力学控制研究

鉴于球面3自由度并联机器人上角锥具有3个纯转动自由度,其运动本质等效于3自由度转动陀螺.将该机器人构型用于刚体空间定位的执行机构,推导得到主动关节驱动力矩表达式,选取机器人3个欧拉角为广义坐标,采用拉格朗日法建立机器人运动微分方程.通过实例将球面3自由度并联机器人用作跟踪空间目标定位平台的执行机构,应用MATLAB软件对机器人进行仿真分析,得到影响机器人主动关节驱动力矩的主要因素,为机器人动力学性能分析和控制系统设计提供基础.     

基于动力学的PT1300型码垛机器人弹簧平衡机构设计

随着实际应用中负载和速度要求的不断提高,码垛机器人的动力学特性被赋予了更高的要求,而优化机器人弹簧平衡机构对于改善其动力学性能和运动中的平稳性具有重要意义.基于凯恩(Kane)方程的动力学算法,以PT1300型码垛机器人为研究对象建立码垛机器人刚体逆动力学模型.在给定机器人运动路径及运动规律前提下,基于动力学层面提出一种弹簧平衡机构设计方法.研究结果表明,采用该方法设计的弹簧平衡机构可明显降低关节驱动力矩,达到了预期效果.     

蛇形机器人行波运动的研究

对蛇形机器人的行波运动机理进行了研究,基于Serpenoid曲线建立了蛇形机器人行波运动的形状控制模型、运动学模型、机构动力学模型及环境动力学模型,给出了求解过程。仿真结果表明：在行波运动中,各关节输入力矩大小呈周期变化,且随其与蛇体重心距离的增加而减小。蛇体中心关节的最大输入力矩为蛇形机器人所需最大输入力矩。对称关节输入力矩幅值变化规律相同,但相差不同;运动初始弯角保持不变,关节输入力矩随着环境摩擦因数的增加而增加。环境摩擦因数保持不变,关节输入力矩随着初始弯角的增加而减小。     

基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真

以人类的构造为原型,基于仿生学的角度,设计了一种下肢单腿7自由度的仿人机器人.通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律;建立了下肢7自由度运动学模型并进行逆运动学分析,求解出下肢各关节角度的变化情况,并根据步态规划求解出仿人机器人步行运动过程中下肢各关节转动角度;在UG环境中建立下肢7自由度的仿人机器人三维模型,并利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真,结合步态运动规划求解出的角度变化情况对仿真参数进行设置,通过虚拟样机完成仿人机器人的步态行走,并将仿真数据和动作捕捉实验获取的数据结果进行对比.研究结果显示,仿人机器人能够实现稳定的步态行走,确认了整体建模思路、运动学分析以及动力学仿真的准确性.以实验结果为基准,仿真所获得的髋关节和膝关节力矩值相对于实验值的相对误差分别为6.7％和9.6％,均在合理的范围内,为仿人机器人结构设计和电机选型提供了依据.     

液压驱动六足跳跃机器人仿真分析

介绍了一种液压驱动跳跃六足机器人的模型,分别进行了该机器人侧面双腿和正面双腿竖直跳跃运动学分析与动力学分析。采用D-H法,提出了一种液压驱动六足跳跃机器人模型,并建立了其着地和腾空两阶段的运动学分析模型;采用拉格朗日方程分析其动力学,得到了该机器人结构在运动过程中各关节的输出力矩特性。最后基于Adams软件对双腿跳跃六足机构和其质心轨迹进行了仿真,分析了其跃障能力,优化了两种跳跃方式的跳跃倾角,并比较了这两种跳跃方式效率,仿真结果验证了六足机构的运动平稳性,较好的越障能力,侧腿跳效率更优,获得侧面和正面双腿跳跃的最佳倾角,为后续研究工作提供了理论支撑。     

基于ADAMS的四足仿生机器人单腿结构设计

利用ADAMS软件虚拟样机技术,设计了液压驱动的四足仿生机器人单腿机械结构。通过分析四足哺乳类动物身体结构及运动特性,设计了仿生机器人的机械机构,确定了机器人腿部自由度配置,建立了仿真模型。根据动物的实际运动步态,规划并设计了静步态及对角小跑两种步态,进行了逆动力学仿真,得到关节等关键部位输出数据。在仿真实验的基础上,设计了液压作动器的关键参数及四足仿生机器人单腿机械结构。