六足机器人的动力学建模与鲁棒自适应PD控制

分析了六足机器人的运动学特性,建立了摆动腿的动力学模型并采用鲁棒自适应PD控制算法对各关节位置和速度进行了轨迹跟踪仿真研究。首先,根据六足机器人的结构特点定义了机体坐标系及各腿跟关节坐标系,建立了单腿运动学D-H模型,运用数值仿真软件对足端运动空间进行了仿真研究。其次,运用拉格朗日方法建立了六足机器人摆动腿的动力学模型,并对其进行了规范化处理。最后,采用鲁棒自适应PD控制算法对六足机器人的关节位置、速度进行了轨迹跟踪控制的仿真研究。仿真结果验证了该算法对此类机器人关节位置、速度轨迹跟踪控制的有效性。     

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。     

四足并联腿步行机器人动力学

基于模块化和可重构理论,提出一种助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人。该机器人既可组合成两足步行机器人,亦可作为四足步行机器人使用。运用影响系数理论和虚功原理,对四足步行机器人静态步行时的摆动腿和机体机构进行动力学建模,导出摆动腿的动力学方程和机体机构超确定输入下的协调方程,按加权最小二乘法对四足并联腿步行机器人机体机构的动载进行最优协调分配,解决了机器人在行走过程中各分支运动约束而产生的动力耦合问题。     

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。     

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。     

轮腿混合式四足机器人设计及运动学分析

针对轮式机器人地形适应能力差与腿式机器人移动速度受限的问题,设计了一个既能爬行又能滚动行驶的轮腿混合式的四足机器人,采用钢丝绳驱动方式来实现机器人脚轮的工作状态转换。在对机器人进行整体设计和腿部机构详细设计的基础上,运用D-H法建立站立腿的运动学方程,并通过几何法验证了运动学方程的正确性。借助MATLAB软件,编程程序绘制了摆动腿的运动空间,并分析了机器人的越障能力。     

面向Trot步态的四足机器人单腿结构及其尺寸优化

四足机器人的单腿是整机的主要支撑单元,同时也是四足机器人底层的运动单元.因此,单腿的设计会直接影响四足机器人的运动能力.针对四足机器人最为常见的Trot步态运动特点,设计了一种能适应Trot步态的新型单腿结构,并从尺寸优化的角度对该新型单腿进行结构优化.数值计算的结果表明,优化后的单腿在增大工作空间范围、减小驱动力矩等方面提升显著,可作为底层结构集成到四足机器人整机系统中去,同时也为四足机器人本体的结构设计提供了一定的理论参考.     

基于曲柄摇杆机构的新型六足爬行机器人的设计

六足爬行机器人在理论上可以实现向前向后稳定行走.对驱动足采用了曲柄摇杆机构,将腿放在四杆机构的摇杆上,实现了腿前后摇摆行走.此外,由于是通过连杆曲线图谱选择腿部运动轨迹,从连杆曲线图谱上可以看到,整条曲线都是很平滑的,因此,机器人在行走过程中也会非常稳定,而不至于出现冲击载荷.对六足机器人的行进机构、运动设计与分析、机器人的运动轨迹和六足机器人的控制系统进行了详细阐述.     

基于3-UPU六足步行机器人的步态规划

提出一种基于非对称3-UPU并联机构的新型六足步行机器人,其具有承载能力大、通过能力强、控制容易等优势。首先,对六足步行机器人进行结构设计,然后,综合考虑机器人的稳定性和腿部干涉两种情况,设计了最大横向移动步幅。还对六足步行机器人进行了步态规划,包括机器人两组腿的占空系数、运动次序、运动步幅、运动轨迹及各分支等效杆长随机器人的移动的变化。     

四足步行机器人三维摆动步伐研究

四足步行机器人快速稳定运动步伐研究是当今机器人运动分析与研究的主要研究方向之一,提出一种三维摆动补偿机制,此种方法主要是机器人在行走过程中通过左右、前后及上下的摆动,形成一种复合的运动轨迹,以调整机器人重心始终在支撑脚的对角线上,达到运动过程的稳定高效,这种方法比以前的左右摆动方法在能量消耗方面达到了最小。对于这种方法通过理论分析与研究、计算机仿真等方法进行了研究、分析与验证,结果证明了此种方法的有效性。     

四足轮腿式移动机器人的步态分析及轨迹规划

针对外星复杂的地表环境,基于2-UPS/(S+SPR)R闭环并联机构,设计了一种四足轮腿式移动机器人。通过对比机器人在运动过程中的稳定裕度与重心调整量得到最优步态,利用ZMP法衡量了机器人在静步态下的稳定性,并用改进的复合摆线法规划了足端的运动轨迹。在整个运动过程中,机械腿运动平稳,速度、加速度变化较为平滑,不会出现对机械腿造成损坏的较强冲击;且在抬腿和着地瞬间,速度、加速度均为0,不会对机身产生冲击。分析结果表明,该四足轮腿式移动机器人运动灵活且平稳,适用于外太空的探测。     

新型轮腿机器人步态规划策略

设计了一种新型步态可切换轮腿机器人。该机器人步态切换机理易于实现且不存在冗余机构,驱动系统置于封闭空间内,可在两栖环境下应用。基于模型控制步态的策略,规划了轮腿机器人的足端轨迹;利用运动学模型分析求解出各关节变量,对步态控制策略进行研究,并利用实验样机验证了基于足端轨迹规划的机器人步态控制策略的可行性。     

Optimal locomotion trajectory for biped robot ‘D<Superscript>2</Superscript>’ with knees stretched,heel-contact landings,and toe-off liftoffs

Most of the current biped robots with active revolute joints walk with their knees bent while a human walks without bending his or her knees in “natural” gaits. This paper proposes a method to generate natural locomotion trajectory for biped robots without bending knees based on a 2-DOF model of an inverted pendulum. In addition to the natural leg motion, this paper proposes a foot trajectory that has heel-contact landing and toe-off liftoff phases similar to the human foot. The trajectory is parameterized and optimized with a genetic algorithm based on energy consumption. In simulation of locomotion of biped robot, D², which has a double deck structure of parallel mechanisms, the resulting trajectory looks natural and requires approximately 28% less energy than the one generated by the LIPM method. In addition to proposing the method to generate trajectory for a biped robot, this paper introduces the mechanism of serially linked parallel-mechanism for a biped robot with knees.     

两栖仿海龟机器人步态规划及分析

针对清淤机器人移动困难、稳定性差等问题,参考海龟的身体结构和爬行动作,设计出了一种两栖仿海龟机器人。在介绍机器人结构的基础上,利用D-H方法对机器人进行运动学分析,建立并求解了支腿的变换矩阵和运动学方程;规划了两种仿海龟爬行步态,根据机器人结构规划了电推缸的行程空间,并对足端轨迹和爬行步态做以优化;在ADAMS中进行运动仿真,分析了机体的位移和速度变化曲线。结果表明,优化后的步态可以大大提高机器人的爬行速度和稳定性。     

Energy efficiency analysis of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory

Quadruped robots consume a lot of energy, which is one of the factors restricting their application. Energy efficiency is one of the key evaluating indicators for walking robots. The relationship between energy and elastic elements of walking robots have been studied, but different walking gait patterns and contact status have important influences on locomotion energy efficiency, and the energy efficiency considering the foot-end trajectory has not been reported. Therefore, the energy consumption and energy efficiency of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory are studied. The forward and inverse kinematics of quadruped robot is derived. The combined cycloid function is proposed to generate horizontal and vertical foot trajectory respectively, which can ensure the acceleration curve of the foot-end smoother and more successive, and reduce the contact force between feet and environment. Because of the variable topology mechanism characteristic of quadruped robot, the leg state is divided into three different phases which are swing phase, transition phase and stance phase during one trot gait cycle. The non-continuous variable constraint between feet and environment of quadruped robot is studied. The dynamic model of quadruped robot is derived considering the variable topology mechanism characteristic, the periodic contact and elastic elements of the robot. The total energy consumption of walking robot during one gait cycle is analyzed based on the dynamic model. The specific resistance is used to evaluate energy efficiency of quadruped robot. The calculation results show the relationships between specific resistance and gait parameters, which can be used to determine the reasonable gait parameters.     

四足步行机器人关节位姿和稳定性研究

四足机器人爬行控制的关键是关节位姿的确定、机器人稳定性的判断和摆动腿顺序的选择.提出了一种求解关节位姿驱动变量的有效方法,此方法能获得满意的四足机器人步行步态.通过定义立足点的静态稳定区域提出了一种机器人稳定性分析的新方法,该方法不仅避免了复杂的机器人正动力学求解问题,同时还可给出机器人稳定性和立足点稳定范围的信息.实际爬行实验验证了所提方法的有效性.     

摆幅可调型足部康复机器人的设计与运动学分析

提出了一种摆幅可调型足部康复机器人。根据踝关节运动方式和足底穴位分布,设计足部康复机器人的整体结构,并且重点介绍了摆幅可调传动机构的运动原理。运用反转法进行传动比计算,采用坐标变换法对机构踏板的位姿进行运动学求解,再通过位置逆解析得到踏板姿态角的运动方程。利用SolidWorks软件对虚拟样机进行运动学仿真,将仿真数据与理论数据对比,验证了理论分析的准确性和机构设计的安全性。最后,对摆幅调节的关键参数进行了分析。     

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。     

Planar jumping with stable landing through foot orientation design and ankle joint control

This paper introduces a method to generate the planar jumping motion for biped robot. In this work, through determining the upper body posture trajectory in the flight phase, the foot landing posture is made to be flat while landing. Together with properly designing the trajectory for local center of gravity and the foot landing velocity, the soft landing trajectory is generated. A controller on the ankle joint is added to avoid significant impact with the ground and stabilize the robot after landing. Jumping motion with stable landing is achieved in a dynamic simulation environment based on this method.     

介入机器人运动学及轨迹规划研究

针对介入机器人运动学和轨迹规划问题,基于D-H坐标系理论建立了血管介入主端机器人的运动学方程,并对该方程进行了求解;其次,在关节空间内采用五次多项式插值方法,结合介入机器人运动参数对关节轨迹进行了插值计算,实现了对血管介入机器人关节空间的PTP轨迹规划;最后,利用Matlab机器人工具箱建立了该机器人的三维仿真模型,并且对机器人运动学、轨迹规划进行了仿真验证。研究结果表明:该机器人连杆参数设计合理,活动空间适应手术要求,运动学方程准确可靠,在关节空间内利用五次多项式进行轨迹规划保证了机器人运动连续平滑。目前该技术已应用于血管介入手术临床试验中。