液压驱动六足机器人一种低冲击运动规划方法

足地接触冲击对大尺度重载足式机器人的运动性能影响显著。针对液压驱动六足机器人,以低冲击平顺运动为目标,提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规划方法。基于仿生构型和运动学模型推导腿部关节的角度函数,根据液压缸铰点布置和腿部机构几何关系推导出各液压缸活塞杆的位置控制函数,分析表明关节和液压缸运动平稳,速度、加速度无突变。基于Vortex搭建机器人仿真平台,采用该方法实现了步行过程的仿真模拟,机体稳定前移过程中的垂向起伏微小,侧向偏移率约为2.1%。将该方法应用于开发的六足机器人原理样机,进行野外自然环境行走测试,各关节按预定轨迹平稳运动,足端受力合理。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了提出的运动规划方法合理可行。     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

基于ADAMS的六足仿生机器人结构设计及运动仿真

为了提高六足仿生机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,在分析仿生甲虫机体形态和结构特点的基础上,以甲虫为摹本,设计了一种性能优越、结构简单的六足对称的纲昆虫结构机器人,利用CATIA三维造型软件生成三维实体模型,将其导入ADAMS建立虚拟样机动力学模型。对其进行六足机器人在平坦地面上直线行走步态和定点转弯步态分析,得到了运动学和动力学特性曲线,验证了机器人结构的合理性和运动的可行性。为机器人数值计算及物理样机的研制提供理论依据,也为实现六足仿生机器人的精确控制创造条件。     

六足仿蜘蛛机器人的结构设计与仿真分析

针对六足机器人运动规划问题,设计了一种六足仿蜘蛛机器人。首先,利用SolidWorks设计了六足仿蜘蛛机器人的机械结构;然后,通过建立六足仿蜘蛛机器人的D-H坐标系,构建了仿蜘蛛机器人行走机构的运动学模型,对机器人的单腿正、逆运动学进行了分析,推导了正逆运动学方程;最后,对几种典型步态进行了分析,运用多项式差值拟合的方法对仿蜘蛛机器人的摆动相及支撑相作了足端轨迹的规划;在此基础上,将SolidWorks模型导入到ADAMS/View中,利用ADAMS对几种典型步态进行了仿真,验证了对其步态规划的正确性。研究结果表明:该六足仿蜘蛛机器人的设计方案是有效的。     

液压驱动四足机器人步态规划和运动控制

针对液压缸运动加速度突变影响四足机器人运动平稳性的问题,对液压缸的加减速控制方法进行了分析,对液压缸的运动平稳性和特性等方面进行了研究,提出了7次位移曲线控制方法作为液压缸的位移控制规律。根据运动稳定裕量原则规划了四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为75 mm。利用ADAMS仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析对比了步态的运动学量、动力学量和位移控制规律的运动特征曲线,验证了步态的可行性。在四足机器人原理样机上进行了实验调试,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,机器人能够根据规划的步态完成多个循环的稳定行走,通过7次位移曲线的应用提高了机身在整个行走过程中的平稳性。     

基于多维度空间耦合的六足机器人步态规划

针对现有机身工作空间求解算法不适用于非平坦地形下六足机器人步态规划的问题,提出一种基于多维度空间耦合算法的机身工作空间求解方法,并将其应用于机器人在非平坦地面运动的步态规划中。将机身工作空间分为三个子空间,解析三个子空间边界方程,耦合得出机身工作空间,在此基础上,解析机身位姿与站立腿关节转角之间的映射关系,完成机身运动规划。仿真和样机实验结果对比表明：与采用传统机身运动规划算法的步态相比,所提方法能够减小摆动腿足端偏移量和机身姿态角变化幅度,并且能够保证机器人具有更高的步态稳定裕度,使机器人获得更好的步态稳定性。     

四足机器人改进型对角小跑步态研究

传统的四足机器人对角小跑步态一般在机体坐标系中进行规划,在实际应用中存在着摆动腿无法同时着地、机体翻转无法有效抑制等问题,这些都降低了机器人运动的稳定性和精确性。针对以上问题,提出了一种在世界坐标系下规划的改进型对角小跑步态方法,该方法通过浮动机体运动学对摆动相进行规划,在足端的雅可比矩阵中引入机体姿态相关项,从而保证了摆动腿能同时着地,同时在支撑相和摆动相之间增加了四腿同时着地的调整相,对机器人机体位姿进行调整。对比仿真和样机试验结果表明：与传统方法相比,所提方法能够使摆动腿同时着地并能连续调整机体位姿,使机器人获得更好的运动稳定性和更高的位移控制精度。     

基于增强学习的六足机器人自由步态规划

为解决六足机器人步态规划问题,实现特定地形上机器人自由步态的优化学习,基于机器人单足步距的离散化处理,融合CPG模型的时间节拍原理与反射模型的空间规则约束机制,构建六足机器人离散化步态模型。通过机器人稳定性分析与步态规划策略研究,将复杂的步态规划问题转化为以振荡周期为时间间隔的位置状态间的排序问题,从新的视角提出了一种六足机器人自由步态规划的基本框架与方法。在此基础上,模仿生物步态的学习行为,基于步态序列的离散化处理,构建了基于增强学习的步态模型,并以机器人平均稳定裕量为优化目标,通过制定步态离散单元间动态转换概率的调整策略,提出了基于增强学习的自由步态规划方法。样机试验显示,自由步态规划方法与基于增强学习的自由步态规划方法均可规划出相对符合生物步态行为特征的稳定自由步态,且后者可利用步态历史信息实现特定地形上自由步态的优化学习。     

基于Simulink/SimMechanics的四足机器人足端轨迹规划及动态仿真分析

针对四足机器人在行走过程中,因摆动相与支撑相之间相互切换造成的足端与地面冲击、振动的问题,提出了一种基于改进型等速运动与叠加摆线运动复合的轨迹规划方法。首先对摆动相的足端在水平方向和竖直方向进行运动规律规划;然后,运用复合运动的方法规划足端轨迹在直角坐标空间中的运动轨迹方程,从而获得足端在直角坐标空间中的位置、速度、加速度等信息;最后,在Simulink中建立四足机器人的动态仿真模型,以四足机器人的Trot步态为例,仿真分析所提出的轨迹规划方法在笛卡尔直角坐标空间和关节坐标空间中的运动特性。仿真分析结果表明,基于改进型等速运动规律与叠加摆线运动规律复合的轨迹规划方法得到的轨迹曲线平滑连续,与复合摆线运动规律相比,在水平方向和竖直方向上都能较长时间保持匀速,整体运动平稳,此足端轨迹规划方法较理想。     

基于离散化的六足机器人自由步态生成算法

为精细模仿生物步态,充分发挥六足机器人运动潜能,在离散化机器人单足工作空间的基础上,融合中枢模式发生器(Central pattern generators,CPG)模型与反射模型的核心思想,建立离散化步态模型,基于稳定性分析,构建机器人稳定的位置状态空间,将步态规划问题转化为稳定的位置状态空间中位置状态间的排序问题,在此基础上,提出一种新的自由步态生成算法,并结合试验样机开展步态试验。试验结果表明,自由步态生成算法可根据给定的速度要求生成符合生物运动特点的稳定步态以实现机器人的灵活运动。     

Motion capability analysis of a quadruped robot as a parallel manipulator

This paper presents the forward and inverse displacement analysis of a quadruped robot MANA as a parallel manipulator in quadruple stance phase, which is used to obtain the workspace and control the motion of the body. The robot MANA designed on the basis of the structure of quadruped mammal is able to not only walk and turn in the uneven terrain, but also accomplish various manipulating tasks as a parallel manipulator in quadruple stance phase. The latter will be the focus of this paper, however. For this purpose, the leg kinematics is primarily analyzed, which lays the foundation on the gait planning in terms of locomotion and body kinematics analysis as a parallel manipulator. When all four feet of the robot contact on the ground, by assuming there is no slipping at the feet, each contacting point is treated as a passive spherical joint and the kinematic model of parallel manipulator is established. The method for choosing six non-redundant actuated joints for the parallel manipulator from all twelve optional joints is elaborated. The inverse and forward displacement analysis of the parallel manipulator is carried out using the method of coordinate transformation. Finally, based on the inverse and forward kinematic model, two issues on obtaining the reachable workspace of parallel manipulator and planning the motion of the body are implemented and verified by ADAMS simulation.     

Gait Analysis of a Radial Symmetrical Hexapod Robot Based on Parallel Mechanisms

Most gait studies of multi-legged robots in past neglected the dexterity of robot body and the relationship between stride length and body height.This paper investigates the performance of a radial symmetrical hexapod robot based on the dexterity of parallel mechanism.Assuming the constraints between the supporting feet and the ground with hinges,the supporting legs and the hexapod body are taken as a parallel mechanism,and each swing leg is regarded as a serial manipulator.The hexapod robot can be considered as a series of hybrid serial-parallel mechanisms while walking on the ground.Locomotion performance can be got by analyzing these equivalent mechanisms.The kinematics of the whole robotic system is established,and the influence of foothold position on the workspace of robot body is analyzed.A new method to calculate the stride length of multi-legged robots is proposed by analyzing the relationship between the workspaces of two adjacent equivalent parallel mechanisms in one gait cycle.Referring to service region and service sphere,weight service sphere and weight service region are put forward to evaluate the dexterity of robot body.The dexterity of single point in workspace and the dexterity distribution in vertical and horizontal projection plane are demonstrated.Simulation shows when the foothold offset goes up to 174 mm,the dexterity of robot body achieves its maximum value 0.164 4 in mixed gait.The proposed methods based on parallel mechanisms can be used to calculate the stride length and the dexterity of multi-legged robot,and provide new approach to determine the stride length,body height,footholds in gait planning of multi-legged robot.     

Motion error compensation of multi-legged walking robots

Existing errors in the structure and kinematic parameters of multi-legged walking robots,the motion trajectory of robot will diverge from the ideal sports requirements in movement.Since the existing error compensation is usually used for control compensation of manipulator arm,the error compensation of multi-legged robots has seldom been explored.In order to reduce the kinematic error of robots,a motion error compensation method based on the feedforward for multi-legged mobile robots is proposed to improve motion precision of a mobile robot.The locus error of a robot body is measured,when robot moves along a given track.Error of driven joint variables is obtained by error calculation model in terms of the locus error of robot body.Error value is used to compensate driven joint variables and modify control model of robot,which can drive the robots following control model modified.The model of the relation between robot’s locus errors and kinematic variables errors is set up to achieve the kinematic error compensation.On the basis of the inverse kinematics of a multi-legged walking robot,the relation between error of the motion trajectory and driven joint variables of robots is discussed.Moreover,the equation set is obtained,which expresses relation among error of driven joint variables,structure parameters and error of robot’s locus.Take MiniQuad as an example,when the robot MiniQuad moves following beeline tread,motion error compensation is studied.The actual locus errors of the robot body are measured before and after compensation in the test.According to the test,variations of the actual coordinate value of the robot centroid in x-direction and z-direction are reduced more than one time.The kinematic errors of robot body are reduced effectively by the use of the motion error compensation method based on the feedforward.     

航天机械手的运动特点和工作空间分析

对处于微重力环境中中的航天机械手的运动特点和工作空间进行了深入的分析，这些研究工作将有助于设计高效的运动规划和运动控制算法。     

双臂机器人无碰撞运动规划

针对双臂机器人任务操作中的非结构化环境特点 ,本文对双臂机器人无碰撞运动规划问题作了深入的研究 ,将 C空间法成功地应用于双臂机器人的无碰撞运动规划 ,通过建立时变 C空间 ,提出了从臂无碰撞状态数据库(CSDB)概念。在本算法中 ,双臂机器人无碰撞运动路径可以通过对从臂无碰撞状态数据库的搜索获得 ,运用该算法可以在时变 C空间中得到一条最优的无碰撞运动路径 ,本算法已经在双臂 SCARATES型机器人上通过试验论证 ,证明算法可行 ,效率较高     

六足机器人腿部损伤的容错行走研究

设计了一款皮带传动的六足机器人,利用逆运动学对该腿部机构进行工作空间分析。因非结构化环境的环境信息不可知且较恶劣,使得六足机器人腿部损伤现象时常发生。为了提高腿部损伤六足机器人的容错行走能力,在无附加装置和系统的条件下,提出了一种新的控制策略。首先对机器人受损腿部情况进行分类,并基于受损后六足机器人的稳定裕度分析,通过利用机身姿态动态调节和利用部分腿的基节初始化转角调节提高其容错行走能力。分析腿部损伤六足机器人在一个运动周期内的足端位移、机身姿态等实验数据,从而验证了所提控制策略的有效性。     

面向操作可靠性提升的复合工业机器人运动规划

复合工业机器人的应用能够有效提升智能制造车间生产效率。而在其运动规划问题中,基于移动平台调整的机械臂初始站姿直接决定了目标任务是否能够可靠执行。为解决以上问题,提出一种考虑机械臂初始站姿的运动规划优化方法。基于前期基础,采用旋量描述和切片表征方法分别解决了复合工业机器人运动学建模和最小避障距离建模问题,为进行轨迹优化提供了模型基础;建立了最小化耗能当量和运动时间的运动规划优化模型,通过考虑初始站姿影响设计了包括移动运动参数、冗余关节角度和机械臂运动参数在内的混合优化变量集,同时考虑运动学约束和避障约束条件保证机械臂运动平稳性和安全性;结果表明,基于规划优化的复合工业机器人具有较高的操作可靠性。     

基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模

提出了基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学模型。通过对鱼体波状游动的运动学描述,将仿鱼机器人离散成刚性头部、柔性身体和摆动尾鳍三个部分并划分为多个运动环节进行分析,考虑鱼体外部环境的作用力:流体附加质量、流体加速作用的弗劳德—克里洛夫力、鱼体游动过程中的阻力特征,建立仿鱼机器人的动力学模型。数值实例表明,利用该动力学模型,能够有效地实现给定鱼体各环节的运动参数求解作用力矩、给定作用力矩求解运动规律,进一步设计仿鱼机器人各环节的运动规律,寻找一种实现鱼体推进力最大和推进效率最高的规划方法。该动力学模型的建立为研究仿鱼机器人的运动控制算法和规划算法,揭示鱼体利用流场能量的动力学机理提供了重要理论支撑。