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。     

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。     

四足机器人静步态连续行走策略

为实现四足机器人在平面上稳定、连续行走的行走,避免出现打滑、冲击等现象,提出一种基于walk步态零冲击足端轨迹规划方法。首先运用DH算法推导出单腿的运动学方程。然后采用直线规划支撑腿时足端的运动轨迹,五次曲线规划摆动腿在水平方向上的足端轨迹,摆线规划摆动腿在竖直方向上的足端轨迹。以静态稳定裕度为评价指标,评价了四足机器人在连续行走过程中的稳定性。最后进行仿真实验,实验结果表明,四足机器人可以在水平面上稳定、连续的行走,验证了算法的正确性。     

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...     

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。     

弹簧-负载倒立摆系统三维动态平衡控制仿真研究

弹簧-负载倒立摆(Spring-Loaded Inverse Pendulum,SLIP)是足式奔跑跳跃运动的动力学等效模型,也是高性能足式机器人的控制模板。考虑其在三维环境中受到外部扰动的情形,提出一种动态平衡控制方法,主要包括SLIP系统的飞行相弹簧腿摆角控制与着地相机身姿态调整,以及系统能量调节。采用ADAMS-Simulink联合仿真手段,分别针对连续外力扰动与瞬时冲击扰动的情形,对控制方法进行验证,同时将该方法扩展应用于多关节足式机器人单腿平衡运动问题。结果表明,所提出的平衡控制方法能够快速有效地实现三维动态稳定运动。     

近似直驱双足机器人跳跃运动非线性优化及试验验证

跳跃是腿足式动物最常见的步态模式之一,通过快速有力的爆发性功率输出,动物可完成越障避敌等行为.然而,受制于执行器能力限制和高动态运动的规划控制难度,由腿足式机器人实现跳跃奔跑等运动极具挑战性.为此,设计一种基于共轴近似直驱结构方案的双足机器人样机,在三杆简化模型的基础上,确立支撑相和飞行相的约束条件,以跳跃高度最优为目标,将机器人系统的运动规划问题处理成有限维度的非线性优化问题,并采用变参数PID实现关节力矩跟踪控制.通过双足机器人跳跃试验,对运动规划算法的有效性进行验证.结果 表明,双足机器人样机能完成离地高度约为0.34 m(相当于50％的腿长)的跳跃动作,研究成果可为未来高越障性足式机器人研究提供理论支撑和技术参考.     

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...     

液压足式机器人单腿主动柔顺性控制

针对传统液压足式机器人足式步态行走过程中,足端会受到地面较大冲击力,容易对机身产生冲击,造成机身不平稳等问题,提出了一种基于位置内环阻抗外环的柔顺控制算法,有效地降低了足端冲击力,使得足端与地面友好接触。首先,以液压足式机器人单腿为对象,对机器人单腿结构和工作原理进行介绍;其次,设计了单腿液压伺服控制回路系统,并对液压足式机器人元器件进行选型;最后,针对足式行走足端柔顺性触地问题设计了位置内环阻抗外环的柔顺控制算法,利用单腿实验平台进行柔顺性触地实验。实验结果表明基于位置内环阻抗外环的柔顺控制算法,有效地降低了足端冲击力,验证了该文设计思路及算法应用的可行性。     

基于粒子群优化算法的单腿机器人膝踝协调运动控制

针对三段式冗余单腿机器人的高能效运动问题,通过采集人体跳跃的运动学数据,分析人体在跳跃中膝踝关节的做功机理,提出冗余单腿机器人在跳跃中膝协调运动的定义,研究基于粒子群优化算法(Particle swarm optimization,PSO)搜索算法实现膝踝关节协调运动的优化方法,优化结果验证了膝踝关节协调运动规划算法的高能效性。通过仿真试验,实现了单腿机器人膝踝协调的连续跳跃运动,验证了规划算法和控制算法在跳跃中的有效性,通过实物试验验证了算法的有效性和鲁棒性。     

足式机器人的稳定行走*

足式机器人在行走过程中,足端与地面之间的法向冲击力将影响机器人的在垂直方向上的稳定性。被动柔顺可以减小垂直冲击力但同时可引发平台持续震荡。针对该问题,设计基于足端力反馈的主动柔顺控制器,分析其对机器人垂直稳定性的影响。机器人由于机械间隙、步态、路面等因素将出现足端打滑现象,导致机器人水平方向失稳。引入摆腿回缩技术,分析摆腿回缩对机器人水平稳定性能的影响。仿真和液压足式机器人行走试验验证提出方法的有效性,提高了机器人行走过程中的垂直和水平方向稳定性。     

考虑关节非线性刚度的仿袋鼠柔性跳跃机构动力特性分析

根据袋鼠腿部的生物结构及跳跃的特点,建立了考虑关节非线性刚度的仿袋鼠跳跃模型及其着地阶段的运动、动力学方程。结合实例,用Matlab7.1计算和绘出了模型此阶段中各关节转角、关节力矩、地面支承力以及非线性扭簧恢复力矩随时间的变化规律,对比线性关节对其进行了分析和讨论。结果表明:非线性的引入不仅可提高关节的储能能力,有效地降低关节输入力矩,而且还能防止跳跃机构提前起跳,改善跳跃性能,从而有利于增加起跳速度和跃远度,更符合生物的特征。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.     

一种仿蛙单足弹跳机器人弹跳设计与动力学分析

当前，弹跳机器人有着广泛的应用前景，提高其弹跳性能是一个值得探讨的课题。设计并分析了一种仿青蛙跳跃的弹跳腿。将其简化为双质量弹簧模型，得出了其跳起的必要条件及在空中运动状态的动力学方程。仿真结果表明，该弹跳腿的设计是可行的。     

单腿跳跃机器人的被动周期运动研究

单腿跳跃机器人系统是一个非线性系统,其是否存在被动周期运动,关系着单腿跳跃机器人是否能以最小能耗实现跳跃运动。文中采用Brute-force方法研究了最简跳跃机器人模型的被动周期运动,但Brute-force方法的最大一个缺点就是其初始条件是手动修改,这种手动修改初始条件的方法具有盲目性,即经过无数次的尝试,才能找到满意的初始条件,效率低下。文中最后提出设想,如果在确定初始条件前采用优化方法,找到合适的初始条件,那么就可以提高效率,避免了盲目性。     

基于ADAMS的垂直弹跳机器人动力学仿真

针对一种垂直弹跳机器人,利用Pro/E软件创建三维实体模型,然后利用Pro/E与ADAMS的数据接口软件Mechanism/Pro将模型及其特征参数导入ADAMS中,并在几何模型上施加适当的约束、接触力、驱动、传感器等,最后进行动力学仿真,主要分析了弹簧刚度对机器人的弹跳高度、弹跳速度和弹跳加速度等的影响.     

仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学

提出了仿袋鼠跳跃机器人机构模型及运动学研究的方法。基于对袋鼠的运动结构及录像资料的研究,提出了仿袋鼠机器人单腿四杆跳跃机构的分析模型,采用D-H法,建立了机器人着地与腾空两个阶段的运动学方程, 进行了正运动学研究,给出了机器人在跳跃过程中的运动位姿及躯干质心的运动轨迹表达式,并利用雅可比矩阵建立了机器人躯干质心与关节之间的微分运动关系及速度分析方法。采用Matlab编程,结合实例对机器人进行了运动仿真运算,对结果进行了分析讨论,解释了袋鼠跳跃运动跃远度大而耗能低和运动稳健的运动机理。研究结果与录像观察和生物学实测研究结果相吻合,从而证明了这一仿生跳跃机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性。     

基于ADAMS的垂直弹跳机器人动力学仿真

针对一种垂直弹跳机器人,利用Pro/E软件创建三维实体模型,然后利用Pro/E与ADAMS的数据接口软件Mechanism/Pro将模型及其特征参数导入ADAMS中,并在几何模型上施加适当的约束、接触力、驱动、传感器等,最后进行动力学仿真,主要分析了弹簧刚度对机器人的弹跳高度、弹跳速度和弹跳加速度等的影响。     

Method for six-legged robot stepping on obstacles by indirect force estimation

Adaptive gaits for legged robots often requires force sensors installed on foot-tips, however impact, temperature or humidity can affect or even damage those sensors. Efforts have been made to realize indirect force estimation on the legged robots using leg structures based on planar mechanisms. Robot Octopus III is a six-legged robot using spatial parallel mechanism(UP-2UPS) legs. This paper proposed a novel method to realize indirect force estimation on walking robot based on a spatial parallel mechanism. The direct kinematics model and the inverse kinematics model are established. The force Jacobian matrix is derived based on the kinematics model. Thus, the indirect force estimation model is established. Then, the relation between the output torques of the three motors installed on one leg to the external force exerted on the foot tip is described. Furthermore, an adaptive tripod static gait is designed. The robot alters its leg trajectory to step on obstacles by using the proposed adaptive gait. Both the indirect force estimation model and the adaptive gait are implemented and optimized in a real time control system. An experiment is carried out to validate the indirect force estimation model. The adaptive gait is tested in another experiment. Experiment results show that the robot can successfully step on a 0.2 m-high obstacle. This paper proposes a novel method to overcome obstacles for the six-legged robot using spatial parallel mechanism legs and to avoid installing the electric force sensors in harsh environment of the robot’s foot tips.