液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

论文主要介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境,具有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／马的生物仿生,构造了具有被动结构、基于液压驱动的四足机器人腿关节结构,满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型,规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。     

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关（GIS）内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人. 分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题. 对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法. 使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验. 结果表明：机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证. 在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.     

四足机器人Trot步态规划与仿真分析

为了提高四足机器人对角步态的稳定性,缓解对角步态摆动相两条腿不能同时着地的问题,从足端轨迹优化、足端初始位置选择这两方面进行步态规划.通过D-H法建立四足机器人运动学模型,几何法求运动学逆解.基于零冲击原则优化足端轨迹函数,选取8种不同的初始足端位置进行仿真.从足端冲击力、机体位移、俯仰角、滚动角、偏航角的变化等方面分...     

四足宠物机器狗动态步行规划与仿真

以四足宠物机器狗爱赛比为研究对象,分析机器狗步行机构组成,建立关节结构模型,根据仿生学原理对四足机器狗的对角线一致的步态运动进行了分析与规划,利用Matlab对步态规划进行了仿真并采用关节控制器验证了对角线一致的步态运动分析与规划的正确性。步态规划为四足机器人实现高速行走提供了一种可行的方法。     

仿生六足机器人的设计研究

对六足机器人的全方位步态进行了探讨,分析其机身的稳定性,爬坡能力、越沟能力等运动性能.采用的曲柄滑块机构,使其足部落足点的轨迹离散化,使其对地面具有良好的选择性.     

基于ADAMS的四足机器人运动仿真研究

作为工业机器人的一个主要研究分支,多足机器人具有很强的环境适应性和运动灵活性,正在日益受到重视。应用三维建模软件UG建立了四足机器人的模型,导入到虚拟样机分析软件ADAMS中生成虚拟样机模型,并对四足机器人进行了步态规划,利用MATLAB计算得到机器人关节运动轨迹,导入到ADAMS中,模拟了机器人的实际运动状态,得到其爬行轨迹。利用虚拟样机进行仿真为多足机器人步态规划的研究提供了一种良好的试验方法。     

气动柔性关节六足机器人结构设计与步态实验

采用自主研发的气动柔性关节,研制了一种地面移动六足机器人,能够实现前后、左右移动和转动等功能.重点研究了柔性关节六足机器人腿部结构、关节的运动原理和行进步态.搭建了试验台,通过高速摄像等实验手段,验证了机器人步态规划的合理性.为气动柔性关节六足机器人在实践中的应用,提供了理论与实践基础.     

四足仿生机器人稳定性判定方法

为了准确评定足式机器人的行走稳定性及稳定裕度,提出了采用支撑面压力中心至机器人各足支撑点构成的支撑多边型各边的最短距离来评定机器人的行走稳定性的一般准则.根据该准则,引入了最小稳定距离概念,并将该判定准则转化为重心在支撑面的投影到支撑多边形边缘的最短距离来间接判定机器人的稳定性及稳定裕度,方便了计算.通过仿真讨论了干扰项、重心高度、支撑面倾角以及机器人质量等变量与稳定性的关系,最后给出了实验,验证了一般准则的有效性.     

崎岖地形环境下四足机器人的静步态规划方法

为了使四足机器人能够通过姿态调整提高其自身的地形适应性,给出了机器人姿态调整角的计算方法。四足机器人在行走过程中通过躯干的摆动增加稳定裕度,并使用五次曲线对躯干运动轨迹进行规划,保证了整个运动过程的连续性。另外,为克服机器人无法获取地形信息的不足,规划了一种矩形摆动足足底轨迹。仿真实验结果表明:使用提出的静步态规划方法,四足机器人可以在未知地形信息的情况下,实时、自主、稳定地通过复杂度较高的崎岖地形。     

4自由度上肢康复机器人结构设计与仿真分析

设计了一种4自由度外骨骼康复训练机器人,改善了当前康复机器人运动关节单一、康复训练空间有限的缺陷。参照人体上肢尺寸标准,应用SolidWorks绘制了机器人三维模型,根据DH法对机器人建立正向运动学模型,通过Matlab验证了模型的正确性。通过Adams对模型进行运动学仿真,验证了结构在不发生干涉的条件下能够实现多关节复合康复训练运动。同时对机器人工作空间进行仿真分析,验证了机器人工作空间与人体上肢的日常活动空间是相匹配的,能够满足患者上肢康复训练的要求,应用Matlab对抬臂屈肘康复运动进行轨迹规划,验证了整个康复运动平稳合理。     

四足步行机器人逆运动学分析

对四足机器人进行了步态规划,并推导出其逆运动学方程,基于MATLAB建立其运动学模型,以末端轨迹作为输入曲线,得到各关节运动变化曲线.然后,将关节运动变化曲线作为机器人虚拟样机的驱动信号,可使机器人按照规划步态进行运动.研究结果验证了理论分析的正确性,为多足步行机器人运动控制分析提供了理论基础.     

基于Bezier曲线的四足机器人Trot步态优化

为实现四足机器人的稳定行走,需要对其足端轨迹进行合理规划。首先,以Bezier曲线为基础,规划四足机器人的足端轨迹,并依据足端轨迹约束条件对足端轨迹进行优化;其次,通过多组对比实验确定出最优的一组控制点坐标,设计四足机器人的足端轨迹,并找到最佳的步长和抬腿高度组合;最后,基于Matlab/Simulink搭建仿真平台进行仿真实验,与应用复合摆线规划的足端轨迹在足端落地时的冲击力、质心的波动范围、机体的偏航距离、前进距离4个方面进行比较,分析四足机器人的稳定性。仿真结果表明：采用Bezier曲线规划的足端轨迹,提高了机器人运动的稳定性。     

六足仿生机器人越障步态方法研究

在分析六足昆虫运动原理的基础上,提出了一种适合六足仿生机器人越障爬坡的一种步态.针对该机器人需要爬坡的要求对步态进行设计,并且从理论上对提出的"多边形步态"进行了可行性分析.在仿真软件中建立了六足机器人虚拟样机,动态模拟了采用该步态的六足仿生机器人的越障运动.指出利用该种越障步态原理设计思路所确定的机器人具有很好的稳定性以及特殊地形适应能力.     

四足机器人静-动步态平滑切换算法

为提高四足机器人对不同地形的适应能力,给出间歇静步态向对角小跑步态切换(walk-to-trot)的不同情况以及最优(在保证稳定切换的前提下,实现速度的平滑变换和不同步态情况下的最短时间切换)切换方法。为保证步态切换过程中的平滑性,给出关于时间的速度公式,使机体重心保持恒定加速度;为保证切换阶段的稳定性,利用改进的泛稳定裕度判别法(wide stability margin method, MWSM),通过调整足端与质心相对位置,消除步态变换过程中由惯性力导致零力矩点后移对稳定性的影响。基于Webots仿真软件,建立四足机器人仿真模型,验证方法的可行性和有效性。该方法可应用于间歇静步态中的6个状态点并将其平滑、稳定的切换为对角小跑步态。     

双足机器人结构设计与步态规划

为了增强机器人的行走效率,使机器人的步态更自然,且具有良好适应复杂路况的特点,设计了一款双足机器人研究平台,并建立双足机器人行走机构的运动学模型,同时对机器人的前向运动进行了步态规划,从而提高了机器人运动过程中的稳定性.采用三次样条插值方法得到机器人各关节的平滑运动轨迹.     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

具有半球形足端的六足机器人步态修正算法

针对六足机器人步行时由于半球形足端滚动影响造成的机器人躯体轨迹偏差问题,提出一种步态修正算法.指出大半径半球形结构作为六足机器人的足端设计方案所具备的优势及其在支撑相中存在的足端滚动问题.通过提出理想立足点的概念,对三维空间内机器人单腿运动学模型进行修正,对理想立足点与实际立足点之间的偏差量进行分析,建立全方位步行时理想立足点与单腿各关节转角之间的运动学正/逆解关系.通过仿真对比分析修正前后单腿根关节运动轨迹,验证修正算法的有效性.实验结果表明,修正算法既能够更好地避免足端与地面产生相对滑动从而显著改善机器人步行时的方向偏离问题,又能够在一定程度上降低系统能耗.     

四足仿生机器人的分层实时控制系统

针对山东大学机器人研究中心自主研发的液压驱动四足仿生机器人对控制系统的实时性和稳定性要求,设计实现了具有3层结构的分层式控制系统,包括环境感知层、控制执行层和远程控制层,给出了控制系统总体设计方案。利用基于Socket的网络通信技术及基于管道和线程的进程间通信技术,完成了系统中实时数据通信;采用命名管道技术实现了传感器驱动模块挂载,利用MySql数据库技术实现了系统运行过程中的数据备份。通过挂载激光扫描仪数据采集子进程和Trot步态控制任务实验表明,该分层式控制系统的通信实时性良好。     

四足磁吸附爬壁机器人稳定性与动力学分析

动力学分析是机器人评估运动性能以及实施运动控制的关键,由于四足爬壁机器人的多运动链结构和闭链约束,运动学分析较为困难.为此,本文提出以虚功原理求解四足磁吸附爬壁机器人的稳定性与动力学.求解动力学方程,利用优化理论设计驱动力二次规划方法,通过最小功率原则计算关节驱动力,并验证其合理性.设计仿真实验,通过PID控制,采用M...     

液压四足机器人的跳跃步态控制

针对液压四足机器人的跳跃步态控制问题,依据弹簧负载倒立摆(spring-loaded invert-ed pendulum,SLIP)模型理论对四足机器人跳跃过程进行分析,采用解耦的控制思想,将运动控制分为水平运动控制、竖直运动控制和机身姿态控制,通过在腾空相对触地角的调整实现水平方向上速度的控制,在触地相进行能量补偿...