跳跃机器人起跳姿态优化方法研究

提出了一种跳跃机器人起跳运动优化方法,分析了跳跃机器人惯性匹配与跳跃性能的关系。基于空间浮动基建立了跳跃机器人变约束动力学模型;运用惯性匹配椭圆和方向可操作度理论,优化起跳姿态。仿真和实验表明,惯性匹配椭圆是一种较好的跳跃机器人起跳姿态优化方法。     

一种稳定跳跃型机器人的设计与空中姿态控制

针对现有跳跃机器人跳跃时空间姿态旋转问题,从结构与运动控制上入手,设计一种稳定跳跃型机器人。基于弹簧倒立摆跳跃模型在平行四杆机构的基础上设计了一种新型八连杆机构,并利用离合式行星轮结构设计了一种靠卷绳实现能量蓄积与释放装置。利用拐点圆及最小残差理论对末端轨迹进行了近似直线优化处理,并建立了跳跃结构的运动学、动力学模型,进行了跳跃仿真测试。设计了基于模糊PID控制理论的双闭环反馈控制系统,并搭建联合仿真模型从结构动力学及姿态控制系统上进行整体仿真测试。结果表明机器人具备结构上的稳定起跳基础,并通过空中姿态控制实现跳跃后稳定姿态的保持,整体实现了稳定跳跃。     

基于起跳稳定性的仿蝗虫八杆跳跃机器人设计

通过模仿蝗虫起跳过程中的后足胫节末端的直线运动轨迹和起跳稳定性，提出了一种仿蝗虫八杆跳跃机器人设计方法。建立运动学模型并利用天牛须搜索算法对机构的尺寸参数进行优化设计，优化后的八杆跳跃机构的等效胫节末端轨迹和蝗虫后足胫节起跳过程的末端轨迹吻合，基本为一条斜直线。基于拉格朗日方程对八杆跳跃机构的起跳动力学进行建模，并分析了身体所在杆的质心位置对起跳过程的影响，发现通过增大等效跗节杆的质量能提高起跳动力学稳定性。根据运动学和动力学分析的结果，设计了仿蝗虫八杆跳跃机器人，并利用高速摄像机搭建实验平台记录其起跳过程，验证了等效跗节杆的质量对起跳动力学稳定性具备有效的调节效果。     

可变起跳角度的球形跳跃机器人跳跃分析及其优化

针对跳跃机器人越障时自主控制与调整的局限性,设计了一款可变起跳角的球形跳跃机器人,该机器人采用C₆₀结构镂空外壳和平台调姿机构可实现变角度跳跃目标。通过分析机器人起跳、滞空、落地的运动过程,采用拉格朗日方程对机器人跳跃过程动力学进行建模。建立了起跳角对速度的影响方程,并针对单足跳跃过程,揭示起跳过程中打滑现象的产生与摩擦角之间的关系。基于机器人动力学方程,研究跳跃机器人面对越障时,与障碍物距离和起跳角度对跨越和爬升的影响。最后,利用ANSYS对其动力学进行仿真分析,有效保障了机器人跳跃任务的顺利完成,为球形跳跃机器人规划问题奠定了理论基础。     

一种间歇式弹跳机器人的机构设计与跳跃性能分析

为研究复杂地形下弹跳机器人跳跃轨迹的可控性问题,设计一种基于齿轮—六杆变胞机构的间歇式弹跳机器人。通过改变齿轮—六杆变胞机构的拓扑结构,机器人具有储能、能量锁定与释放、改变储能大小以及调整姿态角的功能,起跳过程中弹跳力具有仿生特性。根据机器人的结构特征设计翻转机构,使其倒地后自行翻转复位。在理论建模基础上,对机器人的跳跃运动进行仿真以研究储能改变和姿态角调整对跳跃轨迹的影响。研制间歇式弹跳机器人原理样机并进行跳跃运动试验,仿真和试验结果较吻合。结果表明,该间歇式弹跳机器人的机构设计具有可行性,跳远度和跳高度具有可控性:跳远度的控制可通过改变储能大小实现;储能相同时,跳高度的控制可通过调整姿态角实现。为需要轨迹规划的间歇式弹跳机器人的设计提供了一种方案。     

Mechanism Design and Hopping Performance Analysis of an Intermittent Hopping Robot

为研究复杂地形下弹跳机器人跳跃轨迹的可控性问题,设计一种基于齿轮—六杆变胞机构的间歇式弹跳机器人.通过改变齿轮—六杆变胞机构的拓扑结构,机器人具有储能、能量锁定与释放、改变储能大小以及调整姿态角的功能,起跳过程中弹跳力具有仿生特性.根据机器人的结构特征设计翻转机构,使其倒地后自行翻转复位.在理论建模基础上,对机器人的跳跃运动进行仿真以研究储能改变和姿态角调整对跳跃轨迹的影响.研制间歇式弹跳机器人原理样机并进行跳跃运动试验,仿真和试验结果较吻合.结果表明,该间歇式弹跳机器人的机构设计具有可行性,跳远度和跳高度具有可控性:跳远度的控制可通过改变储能大小实现;储能相同时,跳高度的控制可通过调整姿态角实现.为需要轨迹规划的间歇式弹跳机器人的设计提供了一种方案.     

微小型跳跃机器人研究现状综述

自然界的动物借助跳跃运动能够跨越数倍身体尺寸的障碍物,从而增强其越障能力和环境适应能力。动物跳跃运动模式主要包含以大型动物如袋鼠等采取的连续型跳跃,和各种小型动物如昆虫和青蛙等采取的间歇式跳跃。结合国内外微小型跳跃机器人的研究现状,将跳跃机器人分为非仿生跳跃机器人和仿生跳跃机器人,并对比现有机器人的跳跃性能,分析其在实现可控起跳、空中姿态调节和落地缓冲复位等方面采取的策略,最后展望了微小型跳跃机器人的发展趋势。     

仿袋鼠机器人分布式柔性脚的设计与研究

根据袋鼠的生物结构特征,建立了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合模型。利用柔性机构易于实现连续光滑变形及质量轻,易于控制等特性,将其应用于仿生跳跃机器人领域,来实现跳跃机器人在不同跳跃速度下的脚部轮廓变形。文中根据跳跃机器人在不同跳跃速度下的脚部轮廓曲线,以连续体结构拓扑优化为出发点,建立多目标优化函数,采用移动渐近线法,实现脚部的拓扑结构优化。结合实例仿真结果表明:具有柔性变形能力的柔性脚有助于提高机器人在着地过程中的落地稳定性,增大起跳时间和调整起跳角度,并有效地起到缓冲和储能作用。     

一种仿蝗虫跳跃机器人的能量转换机制及跳跃稳定性设计

通过对蝗虫蹬腿跳跃方式的模拟,研制了一种新型的可连续跳跃的机器人。在研究起跳过程能量转换机制的基础上,设计了扭簧弹跳机构。扭簧在减速电机和机身轨道的共同作用下,完成连续的腿部收缩和起跳过程,同时可以实现稳定着陆以保证多次跳跃。为进一步增强跳跃机器人在不同表面起跳的适应能力,通过建立蝗虫钩爪的抓附模型,分析了蝗虫在不同粗糙度表面起跳中脚垫与钩爪的协同作用,设计了黏附垫与钩爪共同作用的仿生跳跃底座结构。     

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...     

球形机器人的跳跃运动分析

球形机器人除了能进行滚动运动外,还可以实现跳跃运动。跳跃运动方式与滚动运动方式的结合,可以扩大其活动范围,进而提高球形机器人的机动性和灵活性,拓展其应用领域。因而球形机器人的跳跃运动是一种重要的运动方式。在分析球形机器人滚动行走的基础上。推导出了球形机器人的起跳每件;利用拉格朗日方程得到了球形机器人跳跃运动微分方程;通过求解该跳跃运动微分方程得到了球形机器人跳跃高度和跳跃长度的公式。最后,对球形机器人的跳跃运动进行了仿真。这些工作的完成为球形机器人跳跃运动的进一步研究打下了基础。     

基于自适应结构的仿袋鼠机器人脚部研究及设计

根据袋鼠的生物结构特征,建立了仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合模型。利用自适应结构的可控性,将其应用于仿生跳跃机器人领域,来实现跳跃机器人在不同跳跃速度下的脚部轮廓变形以及在跳跃过程中脚部的变形。在SolidWorks中建立自适应结构脚的三维模型,运用拉格朗日方法建立机器人动力学方程,在此基础上,用ZMP法建立其落地稳定性的求解方程。结合实例仿真结果表明:具有自适应结构的变形脚有助于提高机器人在着地过程中的落地稳定性,增大起跳时间和调整起跳角度。     

考虑拓扑柔性脚趾的仿袋鼠机器人着地特性分析

根据袋鼠的生物结构特性,建立了具有柔性脚趾的仿袋鼠跳跃机器人刚柔混合模型,并对柔性脚趾结构进行拓扑优化。分别采用拉格朗日法和有限元方法对刚性构件系统和柔性脚趾系统建立子系统动力学模型。结合实例,利用MATLAB进行了计算和仿真,结果表明:采用拓扑柔性脚趾可以实现机器人预期运动的同时,有效缓解地面冲击与振动,降低机器人各关节的驱动力矩,实现脚趾落地能量积蓄和起跳释放的功能,提高机器人的起跳能力和运动平稳性。     

仿蝗虫跳跃机器人起跳过程运动学建模及分析

根据蝗虫的身体构造及跳跃运动的特点,提出了仿蝗虫间歇跳跃机器人的机构模型。在建模时,将该模型抽象为平面刚性连杆机构,采用机器人运动学分析的D-H法,建立了各构件之间的运动学关系。基于跳跃运动的力学原理,采用关节轨迹规划的方法,分析了起跳过程中各杆件的位姿变化,并仿真了其起跳过程,证明了分析方法的可行性。研究了关键因素对跳跃性能的影响,为进一步分析及机器人的详细设计奠定了理论基础。     

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.     

仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合建模运动步态分析

根据袋鼠柔性脚部的生物结构及跳跃的特点,建立了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人刚柔混合模型,并分别对刚性构件系统和柔性构件系统建立子系统动力学模型。结合实例的数值仿真分析结果表明:柔性脚能有助于机器人在着地过程中保持落地运动平稳性,增大起跳时间和调整起跳角度,从而有利于增加起跳速度和跃远度,更符合生物的特征。     

腰部调整对仿猫机器人跳跃轨迹的作用分析

猫是一种灵巧擅长跳跃的动物,分析猫的跳跃,有助于启发改善跳跃机器人的机构,提高机器人跳跃灵活性。以家猫作为模本,提出了有腰部结构的仿猫机构模型,研制出仿猫机器人,利用动量守恒和拉格朗日方程,建立了机器人空中动力学模型。最后令机器人模仿一家猫跳跃过程中的腰部运动,观察机器人在空中不同情况下后脚尖的运动轨迹,得出结论机器人在空中的利用腰部进行姿态调整可以增加机器人越障高度,为机器人应对突发状况提供参考。     

基于微机电惯性传感器的四足机器人姿态检测

提出了一种基于微机电惯性传感器的四足机器人姿态检测系统和方法,由加速度传感器和角速度传感器模块组成,经数据计算可获取静态姿态、动态加速度、静态欧拉角和动态欧拉角检测等。对加速度传感器和角速度传感器参数标定和信号调理,建立了四足机器人姿态检测模块的硬件系统。通过在四足机器人上进行了姿态检测模块的测试,表明该姿态检测系统能有效检测到四足机器人的关键姿态特征量,为四足机器人的姿态稳定性控制提供设备保障。     

基于机器人逆运动学的磨削姿态优化方法

工业机器人由于其串联结构特性,刚度远远低于数控机床,导致机器人加工存在加工精度低和加工质量差的问题。为提高机器人的加工刚度,提出了一种基于机器人逆运动学的机器人加工姿态求解方法。以IRB6700机器人为研究对象,首先通过比较机器人不同逆姿态对应的加工刚度得到了机器人的最优逆姿态配置,然后进一步考虑机器人加工的冗余性,求解机器人的逆姿态,建立了机器人姿态优化模型并得到了给定加工条件下的优化结果。最后采用有限元仿真验证了机器人逆运动学的磨削姿态优化方法的正确性。     

一种具有跳跃能力的自平衡两轮机器人动力学建模与越障控制

针对传统机器人越障能力不足的问题,结合本实验室设计的一种具有跳跃能力的自平衡两轮机器人,建立了机器人的动力学模型.分析了两轮机器人最大可控角的影响因素,建立了弹跳准备阶段的模糊滑模控制器,实现对机器人摆角与移动速度的控制.对机器人在起跳阶段做了动力学分析,对机器人在腾空阶段的运动做了动力学分析,同时根据障碍物外形,对其越障运动做了轨迹规划.最后,通过仿真与实验研究,验证了所建立的跳跃越障控制方法的有效性.