液压驱动单腿跳跃机器人柔顺着地分析与控制

为缓解液压驱动足式机器人动态步态行走时着地瞬间足端冲击对机器人系统及其运动控制的影响,提出了一种基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法。以液压驱动单腿跳跃机器人为研究对象,分析机器人足端着地冲量,通过选择合适的机器人着地姿态和减小机器人着地前足端速度实现机器人柔顺着地,为此在空中相进行余弦速度曲线关节运动轨迹规划,以及着地相进行余弦函数关节运动轨迹规划。将该方法分别应用于基于MATLAB/Simulink软件建立的仿真模型和试验样机进行单腿竖直跳跃控制实验,仿真和试验结果显示采用该方法的机器人跳跃控制消除了足端着地瞬间地面作用力在膝关节液压缸无杆腔形成的液压冲击,实验结果表明提出的基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法合理可行。     

基于非线性弹簧模型的轮腿自平衡机器人跳跃算法研究

轮腿式自平衡机器人兼具轮式的高速高效性和足式的地面适应性，在面对非结构化地形时可以进行跳跃越障。按照腿部自由度可将其分为单自由度式和二自由度式，其中单自由度式轮腿自平衡机器人结构更简单、质量更轻、控制难度更低。但在跳跃轨迹规划问题上，一方面单自由度腿部结构对髋关节出力需求更高，采用双质量块线性弹簧模型轨迹规划方法能够达到的最大越障高度有限；另一方面机器人在高度调整过程中整体质心会产生x向位移，对跳跃的准确性与稳定性造成影响。针对单自由度式轮腿自平衡机器人跳跃问题展开研究，首先提出了基于腾空动力学模型的轮部控制算法，使机身俯仰姿态在跳跃过程中始终可控，进而保证了跳跃的稳定性。之后提出了基于双质量块非线性弹簧模型的跳跃轨迹规划方法，相比基于线性弹簧模型的规划方法具有轨迹规划更加灵活，对髋关节出力要求更低等优点；然后进一步利用轮部在腾空过程中对机身俯仰角的控制效果，设计了一种机器人原地跳远方法，使机器人可以在更短的起跳时间和起跳距离下达到相同的跳跃距离；最后建立了单自由度式轮腿自平衡机器人三维简化模型及其运动学、单腿静力学以及腾空动力学模型，并通过Simulink-Adams联合仿真验证了轨...     

一种新型弹性足式机器人腿部结构设计与分析

提出了一种新型弹性足式机器人腿部结构设计方法。设计了一种结构简单、响应速度快、抗冲击性强的新型足式机器人腿LCS-Leg(Linkage cable-drive spring leg)。该机器人腿采用弹性连杆机构和线驱动系统,有效降低了腿部惯量和着地冲击力,提高了机器腿的响应速度和减振抗冲能力。使用复数矢量法和D-H方法建立该机器腿运动学模型,基于此模型求解足端运动工作空间,分析了LCS-Leg的越障能力。设计单腿仿真试验平台,对两种不同结构的机器腿进行仿真,对比两者的质心高度、前进速度和足端接触力,验证了所设计机器腿的运动性能。试制弹性足式机器人腿及其试验平台,通过实物样机单腿行走试验,验证了设计方法的有效性,并完成了四足机器人整体结构设计。     

双足机器人设计及步态规划研究

针对双足机器人数学描述复杂、分析较为困难等问题,本文提出一种4自由度双足机器人结构,具有驱动关节少且足底始终与地面保持平行等特点。对此双足机器人的前向运动进行了步态规划,其特点是在单腿支撑阶段,机器人躯干的重心始终保持在支撑腿足部中心范围内,仅在双腿支撑阶段,机器人躯干重心向前移动,提高了机器人运动过程中的稳定性。根据机器人运动轨迹的边界点,采用三次多项式拟合得到机器人关节的平滑运动轨迹,有效减小运动过程中动态特性的影响,为机器人各关节在运动周期内的角度规划和样机的研制提供理论依据。     

四足机器人单腿系统及其跳跃柔顺控制的研究

为了解决四足机器人运动过程中的着地冲击力问题,设计了一种基于力的阻抗控制的柔顺控制方法。以四足机器人单腿系统的结构为基础,对其进行运动学分析,进一步求解其速度雅克比矩阵和力雅克比矩阵。将单腿系统简化为"质量-弹簧-阻尼"模型,分析研究单腿系统的跳跃运动特性并规划质心运动轨迹。基于阻抗控制的思想,设计了基于力阻抗控制方法的内环控制器和外环控制器,利用Adams-Simulink联合仿真,通过跳跃运动仿真研究了基于力的阻抗控制方法在跳跃运动中的柔顺效果。搭建四足机器人单腿实验平台,对四足机器人单腿系统进行实验研究,实验结果表明基于力的阻抗控制在机器人的跳跃运动中具有较好的柔顺效果。     

液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划

针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题,面向竖直跳跃运动,以液压四足机器人单腿为研究对象,建立液压驱动四足机器人单腿运动学模型,并分别对机器人单腿处于起跳相、落地相和腾空相时进行轨迹规划;根据关节参数,通过运动学逆解求得驱动函数,利用仿真软件ADAMS进行竖直跳跃步态仿真;搭建单腿实验平台,进行实验验证,依据得到的动态特性,分析步态规划的准确性及合理性,为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据。     

三节履带式机器人越障分析

设计了一种三节履带式结构机器人,通过轴套轴结构实现了机器人的主运动和摆臂运动的同步进行,有利于机器人功能的实现。为分析机器人的越障性能,选择了阶梯、斜坡、沟道等典型障碍分析了机器人的运动机理及其越障能力,重点研究了机器人翻越阶梯时的运动机理及其越障能力。以三节履带式探测搜救机器人样机为例,分析了机器人仰角、摆臂摆角与越障高度的关系,并用MATLAB仿真得到阶梯高度函数以及相应关系曲线,求出了最大越障高度的理论值,并与实测数据进行了对比。推导出了机器人的最佳越障性能及对应的质心和摆臂的位置,为机器人越障时的控制提供理论依据。     

教学型双足步行机器人直线行走步态稳定规划方法

通过对双足机器人行走步态的研究,利用多项式插值法对双足机器人直线行走步态进行规划,分析了踝关节轨迹和髋关节轨迹,通过调节单腿支撑期和双腿支撑期的比例系数来调整机器人的行走步态,使其实现稳定步行。再通过ADAMS建立虚拟样机仿真实验,验证了这种步态规划方法的正确性与可行性。     

六足机器人多机可达空间协同越障仿真分析

对于小型六足机器人,群体合作是克服单体性能局限的有效措施。为提高六足机器人的越障能力,提出了六足机器人多机协同越障的解决方案。并采用了机器人学D-H参数法,结合足端轨迹规划,对六足机器人多机协同越障情况进行运算,找出六足机器人多机协同时的足端运动范围。再参考求得的运动范围,设定典型障碍,进行虚拟样机仿真。对比三次虚拟样机的仿真结果,展示了多机协同越障的有效性,为提高六足机器人越障能力提供一种新的研究思路。     

可变刚度四足机器人对角小跑控制策略

为提升足式机器人在复杂环境下的自适应稳定运动能力,针对具有主被动变刚度柔性关节的四足机器人提出一种对角小跑步态运动控制策略。基于弹簧负载倒立摆模型与控制目标解耦方法,设计了腾空相对角腿关节角规划,着地相前进速度、机身高度、俯仰角调节及腿部刚度主动调节控制策略,并基于足端触地状态完成了四足机器人对角小跑步态运动规划。研制了具有主被动变刚度柔性关节的四足机器人样机,通过实验验证了所提运动控制策略的有效性与正确性。