四足机器人对角小跑中机体翻转分析与姿态控制

为了解决四足机器人对角小跑运动中机体绕对角线翻转的问题,在理论分析翻转原因的基础上提出一种简单有效的姿态控制方法.首先建立四足机器人腿结构的运动学模型,通过数值运算与分析,得到机体翻转的根本原因,即支撑腿髋部前摆关节的反作用力矩产生了绕机体对角线的翻转运动.在此基础上,提出利用支撑腿的髋部侧摆关节力矩来平衡机体翻转的姿态控制方法,并分析讨论了姿态控制可能引起的机体侧向运动现象.最后进行动力学仿真试验,发现机器人在不施加姿态控制的情况下很容易失去平衡而翻到;而在应用了提出的姿态控制方法后,机器人能够实现稳定的小跑运动并且保持机体翻转角度在一个较小的范围内稳定波动.仿真试验对比证明了该姿态控制方法能有效控制机体翻转运动并保持机器人动态平衡.     

全方位六足步行机器人运动规划的相对运动算法

本文提出了步行机器人运动控制算法。该方法以相对运动学原理为基础,把机体的运动规划问题转化为腿的足端轨迹规划问题,从而使步行机器人运动控制问题得到大大简化.并应用该方法对全方位三角步态算法及稳定性进行分析求解.     

面向冗余机器人实时控制的逆运动学求解有效方法

针对-自由度冗余机器人实时运动控制,对机器人逆运动学提出了一种新的求解方法.采用位姿分解方式,使-自由度冗余机器人逆运动学简化为,自由度位置逆运动学求解.在梯度投影法得到位置优化解的基础上,利用机器人封闭解公式求得一组优化解.通过对-自由度机器人仿真分析,表明了该方法的有效性.

     

面向冗余机器人实时控制的逆运动学求解有效方法

针对7自由度冗余机器人实时运动控制,对机器人逆运动学提出了一种新的求解方法.采用位姿分解方式,使7自由度冗余机器人逆运动学简化为4自由度位置逆运动学求解.在梯度投影法得到位置优化解的基础上,利用机器人封闭解公式求得一组优化解.通过对7自由度机器人仿真分析,表明了该方法的有效性.     

基于高阶多项式的爬游机器人足端轨迹规划

针对深海爬游机器人足端轨迹规划问题,采用高阶多项式拟合的方法对其进行研究;首先,介绍了爬游机器人整体结构并对其进行运动学建模,结合爬游机器人运动学模型提出了一种直线与曲线相结合的机器人足端轨迹;其次,利用四阶多项式和六阶多项式分别对机器人足端轨迹进行拟合,比较两种拟合结果可知,六阶多项式拟合方法对机器人足端速度、加速度的规划效果更佳;利用六阶多项式轨迹拟合方法对多段轨迹连接点处的速度问题进行了分析,解决了机器人在运动过程中腿部抖动问题,使机械腿具有良好的控制柔顺性;最后,根据D-H法则建立机器人单腿仿真模型,通过仿真验证了算法的可行性,进一步在水池中利用机器人实物样机验证了算法的有效性.     

仿人机器人逆运动学在线求解方法研究

针对仿人机器人逆运动学在线求解问题,从计算实时性与数值稳定性的角度展开研究。分析了仿人机器人下肢拓扑结构,建立其运动学模型与前向运动学描述,根据当前机器人逆运动学算法研究成果,将几何方法与阻尼最小二乘法相结合,并结合分段阻尼思想,提出一种仿人机器人在线逆运动学求解算法。根据运动规划结果,将所提方法与基于雅可比矩阵的广义逆方法通过仿真算例进行对比,验证了所提方法在奇异位形附近的数值稳定性和在线实施的可行性。     

基于能耗优化的六足机器人摆动腿轨迹规划

以六足机器人单腿为研究对象,研究机器人摆动腿轨迹规划问题.由于摆动要消耗能量,所以提出了一种基于能耗优化的轨迹规划方案.结合以D-H法建立的机器人单腿运动学模型和腿部位置、速度、加速度等约束,采用多项式插值法在关节空间对机器人摆动腿进行轨迹规划.在考虑直流电机有效功率和热损耗的基础上,通过遗传算法对非线性等式和不等式约束下的非线性规划问题进行求解.仿真结果表明,所设计的方案能有效降低摆动腿能量消耗并保证轨迹连续平滑.     

具有主动腰关节的四足机器人在间歇性对角小跑步态下的姿态平衡控制

提出一种由前轮腿模块、后轮腿模块和主动腰关节模块组成的轮腿式机器人.研究发现,拥有刚性腰关节模块的轮腿式机器人在以对角小跑步态行进的过程中处于振荡的非平衡态.为此,借鉴四足动物生物学研究成果以及基于ZMP(零力矩点)的实时性摆动补偿轨迹规划,本文利用主动腰关节模块来提高轮腿式机器人在间歇性小跑步态下的稳定性.对上述的轮腿式机器人进行运动学和动力学建模,通过仿真实验证实了添加偏航关节的规律性摆动可以大幅减少和改善机体的倾斜振荡,机体的倾斜幅度由原先的62.2 mm降至12.8 mm,明显提升了机器人在间歇性小跑步态下的运动稳定性.     

全方位六足步行机器人分析——腿机构、运动学、静力学分析、步态规划与步行软件

本文对全方位六足步行机器人步行中所涉及的步态规划、步行算法及步行软件,稳定性分析、能耗分析等问题进行了深入地研究.首先依据相对运动学原理建立全方位六足步行机器人的运动学。并对其工作空间进行了详细地分析,接着讨论了步行机器人的单腿静力学分析及多腿触地情况下足端力的分力求解问题.把 M-P 广义逆与求解超静定力问题的解法相结合,对足端力的分布特性及求解方法进行了研究.     

仿生猫科机器人的肩腿部运动学分析与结构优化

针对仿猫四足机器人肩腿结构进行研究,对机构进行运动学分析,通过蒙特卡洛法求解机器人足端运动空间。对比不同大小腿长比例下的足端可达空间,对机器人肩腿长度进行优化。将得到的优化结果作为输入,利用虚拟样机技术仿真输出机器人俯仰角和翻滚角曲线,验证机器人优化后的行走稳定性。通过拓扑算例对肩腿结构进行拓扑优化,获得腿部优化后结构形式,为样机试制奠定基础。     

Task-oriented design of robot kinematics using the Grid Method

This paper presents a task-oriented design method for robot kinematics based on the Grid Method, which is widely used in the finite difference method and heat transfer/fluid flow analyses. This approach drastically reduces the complexity of the whole problem and increases the efficiency compared with previous approaches. More specifically, the Grid Method with a new formulation simplifies the design to a problem of a four-design-variable unit grid, which does not require solving inverse/forward kinematics. The efficiency of the Grid Method has been confirmed through a kinematics design of a planar robot for nuclear power plants and spatial robots.     

连续型同心管机器人正运动学快速求解方法

针对可在受限环境中灵活运动的连续型同心管机器人传统正运动学方法计算时间较长,不利于机器人实时运行的问题,本文提出了基于机器人几何学的同心管机器人正运动学快速求解方法,能够在精度损失有限的情况下,提高正运动学模型的计算效率.先根据Cosserat杆模型对同心管机器人进行建模,再利用李代数理论建立了机器人空间位置和曲率的关系式,并结合提出的正运动学方法,对机器人进行了基于逆运动学的开环控制实验.最后通过3管机器人的仿真和实物实验验证了本文所提方法的快速性和有效性.     

Numerical inverse kinematics for modular reconfigurable robots

The inverse kinematics solutions of a reconfigurable robot system built upon a collection of standardized components is difficult to obtain because of its varying configurations. This article addresses the formulation of a generic numerical inverse kinematics model and automatic generation of the model for arbitrary robot geometry including serial and tree‐typed geometries. Both revolute and prismatic types of joints are considered. The inverse kinematics is obtained through the differential kinematics equations based on the product‐of‐exponential (POE) formulas. The Newton–Raphson iteration method is employed for solution. The automated model generation is accomplished by using the kinematic graph representation of a modular robot assembly configuration and the related accessibility matrix and path matrix. Examples of the inverse kinematics solutions for different types of modular robots are given to demonstrate the applicability and effectiveness of the proposed algorithm. ©1999 John Wiley & Sons, Inc.     

Closed-form forward kinematics solutions of a 4-DOF parallel robot

It is well known that the forward kinematics of parallel robots is a very difficult problem. Closed-form forward kinematics solutions have been reported only to a few special classes of parallel robots. This paper presents closed-form forward kinematics solutions of a 4-DOF parallel robot H4. A 16th order polynomial in a single variable is derived to solve the forward kinematics of the H4. The 16 roots of the polynomial lead to at most 16 different forward kinematics solutions. A numerical verification is also presented.     

Reliability-based approach to the inverse kinematics solution of robots using Elman's networks

The solution of inverse kinematics problem of redundant manipulators is a fundamental problem in robot control. The inverse kinematics problem in robotics is the determination of joint angles for a desired cartesian position of the end effector. For the solution of this problem, many traditional solutions such as geometric, iterative and algebraic are inadequate if the joint structure of the manipulator is more complex. Furthermore, many neural network approaches have been done to this problem. But the neural network-based solutions are not much reliable due to the error at the end of learning. Therefore, a reliability-based neural network inverse kinematics solution approach has been presented, and applied to a six-degrees of freedom (dof) robot manipulator in this paper. The structure of the proposed method is based on using three networks designed parallel to minimize the error of the whole system. Elman network, which has a profound impact on the learning capability and performance of the network, is chosen and designed according to the proposed solution method. At the end of parallel implementation, the results of each network are evaluated using direct kinematics equations to obtain the network with best result.     

Implementing the homotopy continuation method in a hybrid approach to solve the kinematics problem of spatial parallel robots

In this paper, first the application of homotopy continuation method (HCM) in numerically solving kinematics problem of spatial parallel manipulators is investigated. Using the HCM the forward kinematics problem (F-Kin) of a six degrees of freedom (DOFs) 6–3 Stewart platform and the inverse kinematics problem (I-Kin) of a 3-DOF 3-PSP robot are solved. The governing equations of the kinematics problems of the robots are developed and embedded in the homotopy continuation function. The HCM is utilized in order to solve the nonlinear system of equations derived from the kinematics analysis of the robots. Then, to represent the real case application an initial guess far from the correct answer is selected. It is shown that, comparing with the Newton–Raphson method (NRM), the F-Kin calculation time for the Stewart robot is decreased by 43%. Therefore, using the HCM a hybrid method is suggested to solve the F-Kin of the Stewart robot. Furthermore, the HCM, as an innovative method, relieves other downsides of the conventional numerical methods, including a proper initial guess requirement as well as the problems of convergence.     

基于改进天牛须算法的电力攀爬机器人运动学逆解算法

为了提高电力系统的自动化水平,减轻电力工人在检修高压输电系统时的劳动强度,同时保障电力工人人身安全,提出并设计一种可以攀爬电力铁塔的六自由度关节式机器人,针对该构型进行运动学分析和求解.为解决传统的解析法用于机械臂逆运动学求解过程中存在操作繁琐和奇异点无法逆运算等问题,提出一种基于改进天牛须算法的电力攀爬机器人运动学逆解算法.首先,对电力攀爬机器人进行DH建模,得到正运动学方程;然后,使用正运动学方程和目标位姿建立代价函数,采用改进天牛须算法对代价函数优化;最后,使用Matlab实现此算法进行仿真验证.实验结果表明,与传统的天牛须算法、改进遗传算法以及改进粒子群算法相比,所提出算法具有较好的收敛性,求解精度较高.     

五轮铰接式月球机器人的运动学建模

本文为在有壕沟、台阶和斜坡的复杂三维地形上行驶的轮式移动机器人提出了一种新 的运动学建模方法：切平面拼接法．该方法的主要思想是用机器人在不同时刻不同斜面上的 运动学模型组成机器人在崎岖不平地面上行驶的复合运动学模型．该建模方法简单,建模的 精确性可以控制．作者用该方法建立了五轮铰接式月球机器人（FWALR）在崎岖不平地面上 行驶的正向和逆向运动学模型,为FWALR机器人在复杂三维地形上的运动控制奠定了基础．     

基于对偶四元数的机器人方位与手眼关系同时标定方法

针对相机姿态估计及机器人运动学正解存在测算偏差时,手眼标定及机器人坐标系-世界坐标系标定结果不能准确收敛到全局最优解的问题,提出了一种基于对偶四元数理论的机器人方位与手眼关系同时标定方法.该方法首先将标定方程中坐标系刚体变换关系用螺旋轴、旋转角度和平移量参数化表示,再结合全局优化算法对平移量进行优化.搭建了PUMA560机器人数值仿真系统和工业机器人实测实验平台,将该方法与经典的四元数和对偶四元数标定方法进行了比较分析.仿真和实测结果表明,在相机姿态估计及机器人运动学正解存在测量误差的情况下,该方法无需初值估计和数据筛选依然可以保证求解结果的最优性.     

并联3-URS踝关节康复机器人的机构与运动学研究

为了帮助患者进行踝关节康复训练,减轻治疗师工作强度,在分类分析现有的各类型踝关节康复机器人的基础上,设计了一种六自由度并联3-URS踝关节康复机器人。从人体生理结构及康复训练需求出发,设计、优化了康复机器人结构,加工制造了实物样机模型;采用闭环矢量的方法建立了并联机器人运动学模型,结合Rosenbrock-Banana优化函数,将正逆运动学数值求解问题转换为优化问题。以背屈训练轨迹作为数值算例,求解精度可达10-10~10-7mm;结合虚拟样机技术,验证了该并联机器人运动学优化求解方法的可靠性,适用于3-URS并联踝关节康复机器人。