四足步行机器人稳定性分析

基于四足步行机器人仿真模型对机器人的瞬时质心坐标进行了计算,获得了四足步行机器人直行步态下瞬时质心的运动规律,分析了各质量模块对机器人质心坐标的动态影响,对比了瞬时质心位移与几何中心位移的相对关系。给出了四足步行机器人静步态稳定性判定的公式,计算了基于瞬时质心的稳定裕度,对比分析了基于瞬时质心和基于几何中心的稳定裕度,提出基于几何中心的稳定裕度计算可以减少计算量,提高响应特性,适合实时静步态控制情况下应用,基于瞬时质心的稳定裕度可以得到稳定裕度的精确值。     

六足机器人斜坡步态的设计

针对六足步行机器人在斜坡地形下行走的特殊情况,分析在该情况下影响机器人静态稳定性的主要因素,根据分析结果设计高稳定裕度的斜坡步态;并利用ADAMS/Simulink联合仿真技术,进行步态控制算法模拟仿真实验,结果表明了研究工作的合理性与正确性。     

基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法

搭建了电动并联式轮足机器人的运动学模型,在单腿工作空间约束和行走稳定性约束条件下完成了间歇步态和旋转步态的基本步态设计,保证机器人在大负重情况下的全方位稳定行走。分析了机器人运动速度矢量与不同基本步态之间的对应关系。提出了基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法,分析了步态切换的最佳时机,详细介绍了不同种步态之间的步态切换过程。通过虚拟样机和物理样机试验平台对本步态切换方法进行仿真分析和试验验证。仿真与试验的结果表明,电动并联式轮足机器人在基本步态行走和步态切换过程中,稳定裕度始终不小于零,且机器人机身的横滚角和俯仰角分别在–1.5°～4°和–2.8°～2.5°范围内变化,该方法能够保证电动并联式轮足机器人稳定的完成步态切换。     

四足步行机器人稳定性分析

基于四足步行机器人模型对机器人的瞬时质心坐标进行了计算,得出了瞬时质心的运动规律,分析了各质量模块对机器人质心坐标的影响,对比了瞬时质心位移与几何中心位移的相对关系。给出了四足步行机器人静步态稳定性判定的公式,计算了基于瞬时质心的稳定裕度,并对稳定裕度进行了对比分析。     

基于中枢神经模式的四足机器人步态控制

为实现四足机器人稳定的节律性行走,研究基于中枢神经模式发生器(Central pattern generator,CPG)的比例步态控制方式。构建互抑神经元组成的振荡器模型,并基于振荡器模型组建四足机器人髋关节CPG网络。通过仿真研究得到模型各参数与CPG网络输出特性之间的关系,确定一套整定后CPG网络的模型参数,提出四足机器人比例步态,通过CPG模型阈值的调整可实现不同占空比的步态。对基于CPG网络的步态反射特性进行分析。试验表明,该方法可实现稳定的四足机器人行走,且具备一定的障碍物反射能力,具有较好的环境适应性。     

六足机器人爬坡性能分析及步态选择

具有良好的爬坡性能对于六足机器人有着重要意义,首先,介绍六足式弧腿机器人的结构,从其常见步态中分析利于爬坡的三角步态及同步步态,其次,根据所定义的步态参数对比分析两种步态下的爬坡速度,计算爬坡时的稳定裕度,以分析两种步态下的稳定性,通过建立腿部的动力学模型,推导出不同步态下的最大爬坡角,最后,根据仿真和实验的数据验证理论分析的正确性,从而为六足机器人爬坡时的步态选择作出参考。     

六足仿生机器人自主爬行步态设计与仿真分析研究

为提高六足机器人对崎岖不平地势的适应能力,开发了一款基于树莓派视觉导航的六足仿生机器人,利用三维软件SolidWorks设计六足仿生机器人的机械结构;通过建立D?H坐标系和步态模型,对机器人进行了正?逆运动学方程推导,构建六足仿生机器人的运动学模型;运用多项式差值拟合对六足仿生机器人的摆动相和支撑相进行步态规划;使用MATLAB?ADAMS完成六足仿生机器人的位姿仿真,并进行六足仿生机器人实物验证.实验结果表明:该步态设计能有效对六足仿生机器人腿部运动轨迹进行跟踪,验证了步态设计的正确性和有效性,为改善多足类机器人行走提供有益参考.     

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。     

四足机器人爬行凸起上坡的运动仿真研究

针对斜坡凸起环境下四足爬行机器人上坡时腿部受较大地面冲击的问题,设计了一种四足机器人的爬坡步态。首先,建立了三维柔性腿部结构模型;接着,针对斜坡凸起路面,对平坦路面下对角小跑步态的抗冲击性和稳定性进行了优化设计;然后,通过机器人单腿正、逆运动学分析,获得了斜坡对角小跑步态下四足机器人足端轨迹与关节角度的映射关系;最后,在斜坡凸起环境下对四足机器人进行了爬行运动仿真。研究结果表明:与平坦对角小跑步态相比,采用斜坡对角步态的四足爬行机器人质心位移更加平稳,其胫节足端接触力峰值较平坦对角小跑步态减小了8.05%,验证了所设计的爬坡步态的合理性。     

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。     

一种基于变权重的六足机器人共享遥操作控制

针对复杂地形环境下的六足机器人步行操作任务,提出一种兼顾机器人行走效率以及稳定裕度的协同调控策略。该策略以现有的速度-位姿协同遥操作构架为基础,融入了共享控制策略,改善系统的操作性和协调性。该方法通过引入优势因子作为主端操作者对机器人的速度层与位姿层操作子系统的控制权重,通过以稳定裕度为输入的模糊推理器求出优势因子,将优势因子引入主从端控制器,主端机器人通过产生触觉力引导操作者进行控制指令的迭代。通过Vortex半物理仿真平台和操作手柄搭建的实验平台对本方法进行验证,并与传统的协同操控方式对比。实验结果表明,通过本策略对六足机器人进行操作能够在保证稳定裕度的同时合理地对机器人速度与位姿进行调控。     

多移动机器人协同模式及其倾翻稳定性研究

针对山地果园单个移动机器人爬坡能力不足及稳定性差等问题,提出了一种多移动机器人协同操作的方法。在原有六足机器人结构的基础上增加了用于多机协同操作的连接件,得到了用于多机协同操作的机器人单体。将3个六足机器人单体通过协同操作得到了3种典型协同模式：串行模式、并行模式、三角模式。最后采用稳定锥法对足式移动机器人系统的单体模式及3种典型协同模式在6种典型地形情况下的静态、动态稳定性分别进行了分析。理论分析及仿真实验结果表明：3种典型协同模式间可进行两两切换;在6种典型地形情况下,通过多机协同操作及协同模式切换的方式可提高足式机器人系统的稳定性。     

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。     

增强爬坡能力的六足机器人分步二次规划足力分配算法及试验验证

足力分配算法能够通过约束条件及目标函数的设计优化足端接触力,使多足机器人达到提高崎岖地形通过能力、提高行走稳定性以及降低能耗等目的。提出了一种增强六足机器人爬坡能力的分步二次规划足力分配算法,设计了可以减小最大牵引系数（足端切向力与法向力之比）的目标函数,并且建立了六足机器人约束模型。分步二次规划方法分别分配法向力和切向力,前后两步均为二次规划,可以应用于六足机器人实时控制。搭建足力分配算法仿真平台并采用该足力分配算法对不同步态行走的六足机器人进行了仿真分析,结果表明相比于传统方法,分步二次规划足力分配算法的最大爬坡角度更大。采用六足机器人试验平台ElSpider验证了该足力分配算法的性能。在相同坡度条件下,采用不同步态进行爬坡时,该足力分配方法相比于传统方法降低了所需的最大牵引系数。     

步履式全地形六足机器人

为解决机器人复杂崎岖地形难以行进的问题,设计了步履式全地形六足机器人。系统以STM32F407ZGT6单片机为控制核心,通过EPM1270T144I5舵机和直流减速电机驱动板,控制DS3120MG型舵机带动机器人的运动关节以及控制5GA370型直流减速电机驱动履带小车;同时引入H083-0605TC型导电滑环与挂胶履带,实现履带小车360°回转无死角,进而可以在各种复杂地形下灵活运动。步履式全地形六足机器人具有优越的越野能力,可轻易翻越障碍物,且抗干扰能力强,灵活度高,安全可靠,具有较高的实用价值。     

Footholds optimization for legged robots walking on complex terrain

This paper proposes a novel continuous footholds optimization method for legged robots to expand their walking ability on complex terrains. The algorithm can efficiently run onboard and online by using terrain perception information to protect the robot against slipping or tripping on the edge of obstacles, and to improve its stability and safety when walking on complex terrain. By relying on the depth camera installed on the robot and obtaining the terrain heightmap, the algorithm converts the discrete grid heightmap into a continuous costmap. Then, it constructs an optimization function combined with the robot’s state information to select the next footholds and generate the motion trajectory to control the robot’s locomotion. Compared with most existing footholds selection algorithms that rely on discrete enumeration search, as far as we know, the proposed algorithm is the first to use a continuous optimization method. We successfully implemented the algorithm on a hexapod robot, and verified its feasibility in a walking experiment on a complex terrain.     

慧鱼六足仿生机器人步态研究与实现

在仿生学原理的基础上,对六足步行机器人三角步态的行走原理和稳定性进行了分析。采用慧鱼仿生机器人包搭接出六足步行机器人,进行了一系列步行的实验。并对机器人腿部机构中的足端轨迹进行了仿真与分析。结果表明该机器人能够严格按三角步态进行行走,实现诸如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能,具有较好的机动性。     

基于阻抗特性的六足机器人动态稳定性

针对六足机器人在崎岖路面行走时,易受到外力干挠发生倾覆失稳的问题,提出一种考虑外力、重心位置、支撑面倾角、运动特性以及机器人阻抗特性的动态稳定性分析方法。建立机器人正运动学和重心求解理论模型,对机器人的实时重心与足端位置进行求解,将机器人绕足端支撑边界的倾翻动作等效为机械旋转系统,在规范化能量稳定裕度判定方法的基础上,建立基于阻抗特性的机器人动态稳定性数学模型,分析不同因素对机器人动态稳定性的影响规律。研究结果表明,机器人阻抗特性极大地提高了机器人的动态稳定性。     

复合运动模式四足机器人机构设计及分析

研制了一种轮足复合运动的四足智能移动机器人,该机器人可以步行前进,原地转弯,楼梯爬越,也可在良好路面利用足底轮以较高速度滚动前进。阐述了机器人的机械结构和参数,运动学分析和运动空间描述。利用ADAMS建立了三维仿真模型,进行了多种步态的仿真。得出稳定裕度合适的步态,实验验证了机器人的性能。     

新型仿生六足机器人运动控制技术的研究与探索

在仿生学研究的基础上,采用模块化分散递阶控制技术构建了仿生六足机器人控制系统,从结构系统分析、控制系统设计、运动特性分析、运动流程控制等各环节加以研究和探索,并通过M atlab进行了轨迹跟踪仿真试验。仿真结果表明机器人具有较好的运动特性和良好的抗干扰能力,从而为仿生六足机器人运动功能的进一步完善奠定了基础。