仿生岩羊四足机器人的设计和步态仿真研究

岩羊是最好的攀岩动物之一,可以在陡峭的悬崖上奔跑或者休息。为了复制岩羊卓越的运动性能,提出了一种新型的四足机器人设计方案,同时选择中央模式发生器(CPG)作为运动控制器。一系列的仿真实验用于验证文中所提出的机械设计和运动控制方法的可行性和优越性,结果表明含有减震悬架的机器人可以极大地减小地面冲击力和关节峰值扭矩;刚度可变的设计可以增加对环境的适应性和运动的稳定性;同时在开环控制下具有跨越障碍物和斜坡攀爬能力。另外,还实现了三种典型步态的运动,体现了机器人具有静态稳定性和动态稳定性。该研究对于开发用于山地攀爬的四足机器人具有参考意义。     

五足步行机攀登不等距桁架运动分析

对五足步行机攀登桁架运动进行了详细的分析,提出了一种实用攀登步态;在此基础上,针对不等间距杵架,建立了其攀登运动模型及相应的算法。该方法不仅可直接应用于五足步行机在不等间距桁架上的攀登运动规划,而且还可作为五足步行机攀登杵架的运动条件,对于步行在具有不连续落足区的非结构地形下的运动研究也具有普遍指标意义。     

四足步行机动平台协调静步态研究

步态研究是实现步行机动平台稳定行走的基础。协调静步态作为动物最常用的步态之一,其稳定性受重心投影点初始位置的影响。阐述了静步态参数和稳定性的相关定义,提出了协调静步态的研究方法,分析了重心初始位置的变化对协调步态稳定性的影响,比较了纵向稳定裕度和实际稳定裕度。     

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。     

四足步行机器人步态规划及稳定性分析

以四足机器人为研究对象,详细地分析了四足步行机器人的步态和稳定性的运动关系,并在此基础上给出了四足步行机器人步态设计数据和步态图.为进一步研究机器人实用化提供了可靠的数据.     

大型17R“加藤一郎”机器人仿人行走控制研究

针对大型17R"加藤一郎"结构双足机器人仿人行走控制问题,从仿人机器人的机械结构、控制系统、步态仿真、动力学参数等方面对机器人的影响进行了研究,采用仿生学原理,参考了人体上、下半身比例特点,对机器人的机械结构进行了设计;对机器人控制系统进行了设计,提出了一种基于DSP+FPGA的主控系统,将多CPU协同工作、分布式远程控制技术应用到仿人机器人行走控制中;利用人类行走过程中各关节的转动参数为输入的控制方法,在ADAMS上进行了步态行走试验,分析了动力学参数对机器人步态的影响。研究结果表明,以人类行走方式控制机器人步态行走,机器人行走步态稳定可行,可应用于大型双足步行机器人步态行走控制。     

基于条件生成对抗网络的人体步态生成

针对人体个性化步态生成研究中的生成目标单一、个性化特征刻画不全面等问题,提出一种基于条件生成对抗网络的人体个性化步态生成方法。首先,将全身共51个关节角作为生成目标;其次,根据个体参数、行走速度、关节构成和协同关系等行走特征,建立数据标签并构成条件信息;再次,利用条件生成对抗网络模拟人体步态形成过程;最后,通过调整条件信息生成具有不同行走特征的个性化步态。经实验分析,该方法生成的个性化步态与真实行走数据的相关系数高于0.98,平均绝对偏差小于0.08 rad,阈值绝对偏差在5%以下,且步态稳定性判据结果均处于稳定区间内。实验结果表明,该方法能够有效生成对应不同行走特征的个性化步态,同相似研究相比,对行走特征的刻画更全面,生成步态具有更好的整体性。     

仿人机器人步行运动学建模与仿真

为研究仿人机器人步行、跑动和跳跃等技术问题,并实现仿人机器人在复杂非结构的人类生活环境中的应用。建立了刚柔耦合的仿人机器人系统;用D-H坐标变换法建立数学模型并得出正逆运动学公式及其解析解;规划出机器人稳定无冲击的行走步态,将Solidworks实体模型导入虚拟样机Adams中进行运动仿真,仿真结果与规划步态基本一致,验证了所建立的数学模型和实体模型的正确性,为仿人机器人动力学分析和步态优化提供了研究平台。     

第1届上银优秀机械博士论文奖——佳作奖

非结构地形轮足式移动机器人设计与步态规划研究作者:赵旦谱毕业学校:清华大学指导教师:陈恳在军事、星球探测、自然资源探查等领域内,非结构环境移动机器人有着广泛的应用前景和社会需求。在地球陆地表面,有超过50%以上的面积为崎岖不平的山丘或沼泽,仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中的移动。因此,设计和制造一个类似动物能够在自然环境中步行的机器,一直以来是人类追求的目标。同时如何实现移动机器人在非结构自然环境中的稳定、快速、平稳移动,是移动机器人研究面临的重要课题。非结构环境下移动不仅需要具有较强环境适应性的机     

载人两足步行机器人研究现状及其关键技术

鉴于在诸如医疗、福利等众多领域广泛的应用前景,载人两足步行机器人的研发逐渐成为机器人学领域的一个新的热点。介绍了目前载人两足步行机器人的研究现状和相关成果。然后,对该研究的关键内容——步态稳定控制、安全保护和减震系统等作了介绍和分析。     

直线型连杆爬升机构的设计与分析

通过与现有电动爬楼轮椅的爬升机构的对比与分析,提出了直线型连杆爬升机构。对直线型连杆爬升机构进行设计研究,其端点轨迹上半部分为半圆形,下半部分为近似直线的弦,该轨迹与动物行走步态极其相似;将其作为爬升机构的设计基础,并利用SolidWorks软件对直线型连杆爬升机构进行建模,并对爬升机构在爬楼梯过程的轨迹进行了分析。结果表明,该爬升机构设计方案合理,爬升机构爬升运动轨迹近似直线,较大程度降低了颠簸,为爬楼机构的设计提供了新的理论参考。     

滚轮黏附式爬壁机器人的附着机理及应用试验研究

壁虎依靠脚掌上的纳米级刚毛,可以附着在光滑的壁面甚至天花板上,并且可以以较快的速度自如爬行。以分子间作用力为附着机制的仿壁虎黏附爬壁机器人,在军事和民生领域都有非常迫切和广阔的应用需求。壁虎在壁面爬行时,足端斜向上运动带动脚趾以一定角度旋转脱离接触面,以这种稳黏附、易脱附的爬壁机制为启示,设计了一种滚轮黏附式的仿生爬壁机器人。开展了机器人爬壁状态下的力学原理分析,得到了电机扭矩、机器人自重与黏附力的关系。在采用电机驱动、齿轮传动的四驱结构的基础上,设计了稳黏附、易剥离的四辐条滚轮机构,实现了轮式机器人在光滑壁面的爬行。通过拍摄并分析机器人爬壁的高速视频,得到了机器人爬壁的启动加速度和稳定后的爬行速度。为了进一步测试分析机器人爬行于不同倾角平面时黏附力的变化范围及变化规律,设计了精度为3 mN的二维力传感测试平台,验证了仿壁虎机器人轮式黏附垫的黏附性能,结果显示研制的滚轮黏附式爬壁机器人可以在光滑垂直壁面上实现快速稳定地爬行。     

基于虚拟样机技术的攀爬机器人仿真分析

随着攀爬类机器人技术的不断发展,对能够攀爬复杂三维钢架结构的机器人的需求日益增多。针对一种带脚钉的特殊钢材塔架,提出了一种气动攀爬机器人本体设计方案。利用SolidWorks建立设计方案的三维模型,将其导入Adams中建立虚拟样机模型,并进行运动学及动力学的仿真,测量分析了重要的动力学参数,并运用Adams的二次开发技术,追踪了机器人模型总质心的坐标轨迹。验证了方案的可行性,研究了其运动及动力学性能,为物理样机的研制提供了重要的理论依据。     

蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究

使用基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人缆索攀爬步态生成方法,对一种正交关节蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制进行了研究。该方法可建立蛇体骨干曲线定向位移与底层驱动器输入之间的联系,可将传统的骨干曲线法和控制函数法两种步态生成方法的优点有效地结合。使用该方法生成步态既可直观地得到骨干曲线的形状及运动趋势,又可得到以关节号和时间为变量的控制函数。该方法可有效提高蛇形机器人桥梁缆索攀爬的安全性、步态灵活性,同时,也便于控制底层驱动器。最后,通过实验验证了所提出方法的有效性。     

一种新型的气动爬杆机器人

随着人工智能技术的迅速发展,各类智能机器人的研究也越来越受到人们关注。面向实际生活和工业应用中存在大量爬杆作业的需求,在分析现有爬杆机器人在实际应用中所存在问题的基础上,设计了一款能够快速攀上固定高台的新型气动驱动机器人。该机器人利用双作用气缸为主要执行元件,通过设计六连杆机构对圆柱杆进行夹紧,通过气缸提升实现机器人的爬杆动作,然后通过摩擦轮带动机器人旋转上台进行工作。首先对机器人进行了结构设计和建模,再通过COMSOL软件分析主要零件的力学性能,并在AMESim软件中完成提升和夹紧机构的运动仿真。分析结果表明,该气动爬杆机器人能够满足快速爬杆的要求。     

A multivariate gait data analysis technique: application to knee osteoarthritis

Modern gait analysis is a powerful non-invasive tool for calculating the mechanical factors involved in pathological processes such as knee osteoarthritis (OA). Although very accurate measurements can be made, the clinical applicability and widespread use of gait analysis have been hindered by a lack of appropriate data analysis techniques for reducing and analysing the resulting large volumes of highly correlated gait data. This paper introduces a multidimensional gait data analysis technique that simultaneously considers multiple time-varying and discrete measures, exploiting the correlation structure between and within the measures. The multidimensional analysis technique was used to detect discriminatory mechanical features of knee OA gait patterns that involved interacting changes in several gait measures, at specific time portions of the gait cycle. The two most discriminatory features described a dynamic alignment difference and a loading response difference with knee OA.     

一种椭圆轮式轮椅爬楼梯辅助装置的设计

设计了一款椭圆轮式轮椅爬楼梯辅助装置,通过锁止轮毂与普通轮椅底架固定连接并套在其轮轴上。采用胎面装附有牙型花纹的防滑橡胶皮的椭圆轮爬楼和越障,装置使用马达作动力。同时对椭圆轮的特性和椭圆轮在台阶上的运动轨迹做了相应的说明。经过性能分析,设计的轮椅爬楼梯辅助装置满足功能要求,并具有爬楼梯安全稳定、操作简单、方便控制等特点。     

输电铁塔攀爬机器人的结构分析与实验验证

首登输电铁塔检修人员缺乏完善的临时防坠保护装置,研发输电铁塔攀爬机器人替代首登人员登塔,可以保障登塔人员的人身安全。根据实际作业环境及其功能要求,结合仿生学原理,提出了一种基于仿生蚕特征的攀爬机器人模型。对机器人进行结构设计并分析攀爬过程中吸附的稳定性,建立机器人运动学模型;对其作业空间进行了仿真分析,验证了机器人结构的合理性。试制物理样机并进行相关攀爬实验,实验结果表明,该机器人具有替代首登人员登塔的可行性。     

环件径轴向轧制中轴向爬升机制与抑制方法研究

环件径轴向轧制过程是多运动耦合作用下的复杂动态变形过程,轧制过程中容易出现各种不稳定现象,研究针对环件在径向孔型中沿轴向向上爬升（又称爬辊）的轧制失稳现象, 首先运用力学理论,分析了环件在径轴向轧制过程中的受力状态,揭示了其爬辊现象产生的力学机制,然后提出了一种基于导向辊的形状与分布优化设计的爬辊现象抑制方法,并通过有限元模拟和实验验证了该方法的有效性。研究结果为实际生产中有效地解决爬辊现象提供了科学指导依据。