轮足式机器人机构设计及越障性能分析

越障能力和地形适应能力是移动机器人性能评价的重要指标。以提高越障能力为目标,设计了一种轮足式越障机器人,采用头部连杆机构辅助越障,同时对其头部连杆机构进行了参数设计。利用瞬时功率守恒原理建立了越障机器人的运动学方程,得到了越障过程中的速度变化规律,在此基础上,采用Adams进行了机器人运动仿真,模拟机器人爬越台阶面的运动情况,并分析了机器人爬越台阶面的越障性能。结果表明,所设计的轮足式机器人具有良好的越障能力。     

四足步行机动平台爬越台阶步态规划及其运动学分析

越障能力是四足步行机动平台的基本能力。台阶是生活中常见的障碍,实现对简单台阶的爬越,是其实用化的基础。四足步行机动平台爬越台阶步态规划是实现其越障的前提。首先运用D-H方法对四足步行机动平台进行了正逆运动学分析,得到了其驱动关节转角与足端点之间的相互关系。然后,对自然界中常见的地形障碍进行了总结,说明了机动平台的爬越台阶步态规划具有通用性。最后结合机动平台的间歇静步态规划对其越障过程中进行了运动学求解,并对各驱动关节角度变化规律进行了分析。     

双履带式巡检机器人翻越圆管能力分析

对双履带式巡检机器人翻越圆管障碍过程进行了运动规划,考虑机器人越障过程中的几何约束、滑移稳定性条件和倾翻稳定性条件,对机器人翻越圆管障碍的各个阶段进行越障能力的理论分析,为双履带式巡检机器人翻越圆管能力提供理论分析依据;设计了一台双履带式巡检机器人样机,选取直径D=60mm钢制圆管为障碍,对越障模型进行数值仿真分析和实验研究,得到了各阶段的最大高度值,并确定了机器人能成功翻越圆管障碍的最大高度值。     

双摆臂履带可变形机器人结构设计与越障性能研究

为发挥履带可变形机器人最佳越障性能,保证机器人在变形过程中履带长度不变且持续张紧,将椭圆定理和椭圆规原理应用于机器人构型设计,研制了一种新式履带可变形机器人。通过引入后摆臂,丰富了机器人构型变化,机器人重心在前后摆臂转动过程中有较大程度的调节,提高机器人的越障性能。建立坡道、台阶和沟壑等典型障碍的数学模型,对机器人翻越障碍进行步态规划和运动机理分析;建立机器人越障的运动学和动力学模型,分析机器人越障的临界条件和最大数值,利用Adams对越障进行仿真实验,结果验证了理论计算值的准确性和机器人的越障性能。     

双摆臂履带可变形机器人的稳定性研究

针对履带不可变形机器人越障性能差的问题,对双摆臂履带可变形机器人的最佳越障性能以及机器人在越障过程中的稳定状态进行了研究。选取了两种具有代表性的障碍物类型,建立了其数学模型,将机器人的质心分布与转动惯量分布作为考虑因素,研究了机器人爬越坡道的倾覆稳定性、滑移稳定性与攀爬台阶的静态稳定性、分步动态稳定性,通过数值分析验证了计算结果的有效性与准确性,得到了机器人处于稳定状态的充分必要条件,进而得到了机器人翻越障碍的临界条件与能够翻越的最大数值。研究结果表明:双摆臂履带可变形机器人具有良好的地形适应能力与越障能力,任务完成度和执行效率高,越障过程机器人状态稳定。     

自适应锅炉管道检测机器人的越障性能研究

针对电厂锅炉管道内移动作业机器人的越障策略及其运动控制,选择环形台阶这种管道中的典型障碍,建立了跨越台阶型障碍时的机器人力学模型,分析其最大越障能力。利用SolidWorks建立机器人的三维模型,将模型导入ADAMS中建立其仿真模型;进行针对不同台阶高度的越障仿真试验,分析越障过程中履带足电机输出力矩、自适应机构的弹簧力等参数的变化规律。结果表明:机器人的主体质心在越障过程中始终与管道轴线重合,3个履带足质心时刻围绕机器人主体质心对称变化;随着台阶高度的增加,机器人电机力矩和弹簧力呈正相关上升,最大能够越过台阶高度为23mm的环形台阶障碍。     

关节式履带机器人越障性能分析

以关节式履带机器人为研究对象,详细描述了机器人攀爬楼梯的越障动作规划,考虑了摆臂动作对机器人在越障过程中质心变化的影响,同时以摆臂的初始姿态和特殊姿态作为几何约束条件,基于质心运动学方程和最优化方法分析了机器人的结构尺寸与楼梯台阶宽度、高度、夹角之间的关系,得出了机器人越障的最大高度、宽度,并采用Matlab对机器人的越障性能进行模拟仿真,仿真结果表明了理论分析的正确性,为优化关节式履带机器人的越障性能提供理论依据。     

可越障多足机器人机构设计与仿真分析

设计了一种可越障多足机器人,该机器人具有移动速度快,越障能力强等特点.腿部机构设计是影响多足机器人运动特性的重要因素之一,采用曲柄摇块机构原理设计了一种新型的多足机器人腿部机构.为了保证机器人移动过程中重心不发生变化,运用Matlab软件对踏片的踏面曲线进行设计,并分析了腿部机构不同尺寸参数对踏面曲线、单个踏片与地面接触点水平方向运动速度和加速度的影响规律.同时,设计了多足机器人的辅助爬升机构,并分析了多足机器人翻越障碍物的工作流程.最后,通过虚拟样机运动仿真以及实物样机试验验证了可越障多足机器人机构设计的可行性.     

轮足式风电机爬壁机器人的设计与分析

为解决人工维护风电机施工难度高、效率低、劳动强度大等问题，基于爬壁机器人研究现状，提出了轮足式4吸盘风电机爬壁机器人的机械本体结构方案。采用Creo软件对机器人的前后吸盘、三腔星轮式吸盘及前后叉架等进行机械结构设计，借助CAD软件对机器人翻越内直角时各种运动姿态进行分析；建立数学模型，通过MATLAB软件对计算结果进行仿真分析，得出防止机器人滑落的最小安全吸附力；运用ADAMS软件对爬壁机器人虚拟模型进行运动学分析，同时应用爬壁机器人样机进行运动试验予以验证。结果表明：爬壁机器人能够在最小安全吸附力条件下，完成机器人单一曲面越障及翻越内直角时越障的运动要求，从而得出轮足式4吸盘风电机爬壁机器人设计方案可行，为后续研究提供有益参考借鉴。     

基于ADAMS的一种六足移动机器人的设计与研究

针对复杂环境对机器人的移动要求,提出了一种新型六足移动机器人的设计思想.设计了机器人的主要结构,对该机器人的设计进行阐述,并分析了其越障构态的变化特点.用静力学方法对机器人进行了越障理论分析,建立了六足机器人参数化模型,经ADAMS对机器人进行机构运动仿真,获得了机器人运动学特性曲线,为机器人总体系统设计与数值计算提供了参考依据.     

A new approach for development of quadruped robot based on biological concepts

This paper proposes the design and development results of a new quadruped robot. The proposed new quadruped robot has a couple of advantages of flexible locomotion. The quadruped robot is designed and modeled based on a new concept that is the structure model with three segments of quadruped legs. New leg configuration with the simplified operation of four hip actuators is introduced. The posture of the new quadruped robot is more similar to the posture of dog than that of the previous quadruped robots. The objective of this paper is to develop a quadruped robot, which can walk and run in a trot gait with a simple PID controller. Numerical simulation and experimental results are shown to prove the locomotion performance of the proposed controller for the proposed quadruped robot.     

NOVEL FORMULATION OF STATIC STABILITY FOR A WALKING QUADRUPED ROBOT

By defining the static stable area for foot placement, a new approach to analysis of quadruped robot stability is presented. Unlike conventionally, the method avoids solving complicated direct kinematics of quadruped robot and shows the information on the robot stability and the selection of swing leg. Especially, the proposed algorithm can be used as real-time operation for on-line gait generation and control for quadruped robots. The effectiveness of the proposed approach is shown through a practical crawling experiment of the quadruped robot TITAN-VIII.     

基于地面反力检测的四足马机器人适应步行法

为适应国内外对四足马机器人进行的广泛研究,根据四足马机器人的结构模型和步行稳定性分析,对其适应步行法进行了研究。首先,介绍了具有12个运动关节和球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,在分析步行稳定性和检测地面反力的基础上,提出了一种四足马机器人适应步行的实现方法;最后,通过自制的小型四足马机器人进行了适应步行实验。实验结果表明,所提出的四足马机器人适应步行法具有可行性。     

液压四足机器人足端的力预测控制与运动平稳性

针对液压四足机器人在坚硬路面行走时,足端位置易受刚性冲击,导致运动姿态平稳性差的问题,提出一种液压四足机器人足端力预测控制方法.在分析液压四足机器人结构的基础上,根据运动学与力学模型构建了液压伺服系统的力控制模型;采用改进自适应布谷鸟优化BP神经网络算法建立足端力预测控制模型,通过仿真对比分析验证了该算法的可行性.最后...     

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。     

四足机器人的腿部拓扑结构研究及其动力学仿真

对一种四足机器人的腿部机构设计方法进行探究。简析哺乳动物腿部关节分布,确立了四足机器人拓扑结构与自由度数目,用拉格朗日方程对其动力学简略推导,并建立虚拟样机。借助ADAMS动力学仿真软件,验证四足机器人虚拟样机在起立过程和对角步态的动力学规律。     

Obstacle-negotiation performance on challenging terrain for a parallel leg-wheeled robot

Journal of Mechanical Science and Technology - High obstacle-negotiation performance of quadruped robots for the challenging terrain is strongly demanded in some fields, including payload delivery...     

四足机器人被动跳跃步态动力学分析与仿真

在四足机器人被动跳跃步态分析模型的基础上,采用拉格朗日法推导了该步态中各运动相的动力学方程,并根据跳跃步态特征给出了基于事件的运动相转换方程。定义了四足机器人被动跳跃步态的庞加莱映射,利用牛顿迭代法获得了庞加莱映射的某个固定点。在MATLAB中以该固定点为初始条件对各运动相动力学方程进行了数值积分,得到了被动跳跃步态的周期性运动曲线,证明了四足机器人在某个初始条件下能够实现稳定的被动跳跃步态。
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Kinematics and dynamics analysis of a quadruped walking robot with parallel leg mechanism

It is desired to require a walking robot for the elderly and the disabled to have large capacity,high stiffness,stability,etc.However,the existing walking robots cannot achieve these requirements because of the weight-payload ratio and simple function.Therefore,Improvement of enhancing capacity and functions of the walking robot is an important research issue.According to walking requirements and combining modularization and reconfigurable ideas,a quadruped/biped reconfigurable walking robot with parallel leg mechanism is proposed.The proposed robot can be used for both a biped and a quadruped walking robot.The kinematics and performance analysis of a 3-UPU parallel mechanism which is the basic leg mechanism of a quadruped walking robot are conducted and the structural parameters are optimized.The results show that performance of the walking robot is optimal when the circumradius R,r of the upper and lower platform of leg mechanism are 161.7 mm,57.7 mm,respectively.Based on the optimal results,the kinematics and dynamics of the quadruped walking robot in the static walking mode are derived with the application of parallel mechanism and influence coefficient theory,and the optimal coordination distribution of the dynamic load for the quadruped walking robot with over-determinate inputs is analyzed,which solves dynamic load coupling caused by the branches’ constraint of the robot in the walk process.Besides laying a theoretical foundation for development of the prototype,the kinematics and dynamics studies on the quadruped walking robot also boost the theoretical research of the quadruped walking and the practical applications of parallel mechanism.     

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。