双足机器人腿部新构型设计与试验研究

探究高动态性能双足机器人对腿部设计的要求,阐明机器人腿部设计准则、设计方案和实现措施。提出一种腿部串并联新构型方案,膝关节驱动器上移到髋关节,踝关节驱动器上移到膝关节,膝关节驱动器通过简化五连杆机构将运动传递到膝部,踝关节驱动器通过并联四连杆机构将运动传递到踝部。对踝关节并联机构和整个腿部关节进行运动学正逆解,建立新构型机器人的仿真模型。考虑运动控制算法,完成机器人动力学仿真。测试准直驱驱动器性能,并完成串并联构型腿部样机试验验证,机器人可实现0.4m/s的行走速度。结果表明,提出的腿部串并联新构型与传统串联构型比具有更高的运动性能,新构型机器人性能在真机测试中得到验证。该串并联新构型方案在双足机器人和其它服务机器人领域具有广阔的应用前景。     

仿生双足水上行走机器人优化设计及控制方法

研究一种新型双足水上行走机器人推进机构及控制方法。借鉴蛇怪蜥蜴双足水上行走功能,分析双足机器人水上行走动力学机理;结合平面四杆机构运动和坐标转换公式,分析Watt-I型机构运动方程,用以模拟蛇怪蜥蜴的脚掌轨迹,设计双足水上行走机器人推进机构,建立机器人的虚拟样机模型并进行机构优化设计;设计机器人的中枢模式发生器(Central pattern generator,CPG)控制器和模糊控制器并进行参数分析,提出双足水上行走机器人的CPG-模糊控制方法,完成机器人控制系统的搭建,进行仿真验证;制作出双足水上行走样机,进行双足机器人水上行走试验,测得推进机构的作用力曲线;在平衡装置不工作和工作情况下分别测量机器人水上行走过程中的实时偏角,并进行比较。试验结果表明推进机构及控制方法满足双足机器人水上行走要求。     

考虑柔性关节的仿袋鼠跳跃机器人落地稳定性研究

对具有柔性关节的仿袋鼠跳跃机器人落地稳定性进行了研究。用拉格朗日方法建立了机构在着地阶段的动力学方程。结合实例,运用Matlab和Adams软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人在着地阶段的各关节转角、关节驱动力矩、着地压力及ZMP随时间的变化规律。分析结果表明:膝关节,特别是踝关节引入柔性关节,不仅能显著地吸收落地能量而获得落地缓冲能力和降低关节输入力矩峰值而减小驱动元件的功率,而且能有效地提高跳跃机构的弹跳能力和落地稳定性。     

基于遗传算法的欠驱动双足机器人步态优化设计

步态设计是双足机器人运动规划和动力学控制的关键问题。为了解决欠驱动双足机器人的步态设计问题,基于虚拟约束的思想,设计了3连杆欠驱动双足机器人的时不变参考步态,并以每步能耗为目标函数采用遗传算法对步态参数进行优化求解。基于有限时间反馈控制的动力学仿真表明,采用遗传算法得到的最优时不变参考步态,3连杆欠驱动双足机器人能够产生稳定周期行走,且具有较高的能量效率和较小的驱动力矩。建立的步态优化设计方法简单有效,可推广应用于其它类型的欠驱动双足机器人。     

3-RSS/S踝关节康复并联机器人的动力学建模及仿真

推导了3-RSS/S踝关节康复并联机器人的雅可比矩阵,利用拉格朗日方法建立了其动力学模型,并根据设计参数进行了动力学仿真分析,得到的驱动力矩曲线连续平滑,表明机器人可控性好.     

多运动模式机器人动力学建模及仿真

针对多运动模式机器人单个可变形腿动力学问题进行系统研究,利用Kane动力学分析方法,建立了机器人单个可变形腿的逆动力学模型;借助Maple软件进行仿真,结果表明所建模型的正确性和有效性,可用于单个可变形腿运动控制器的设计;分析了关节转动速度和转动加速度对驱动力矩产生的影响,并分析了各关节驱动力矩中惯性力矩、向心力矩、哥氏力矩及重力矩所占的比例,分析结果有助于进一步规划机构的运动,优化机构设计和选择适当功率的电机。     

输电线巡检机器人行走动力特性与位姿分析

根据跨越超高压输电线路障碍物的类型,提出一种新的双臂自主越障巡检机器人机构。该机器人采用复合轮爪机构在架空地线上连续行走并跨越障碍。由于架空地线呈悬链线状,机器人在连续行走过程中会出现上坡和下坡,对行走动力特性的影响非常明显。在上坡时行走电动机提供驱动力矩,在下坡时行走电动机提供制动力矩,以保持匀速巡线。详细分析了机器人在架空地线上行走时所处的加速、匀速、减速和停止的各个状态,驱动机器人所需的驱动力矩以及它们与机构参数之间的关系,并应用优化方法给出各个状态电动机驱动力矩最小时,机器人机构参数对应的最优解,为巡检机器人的设计和控制系统方案的确定提供了理论依据。     

混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

七杆双足机器人行走系统动力学研究

针对双足步行机器人结构复杂性、系统非线性和动态步态难控制的问题,以七杆双足步行机器人为研究对象,建立七杆双足步行机器人动力学数学模型,模型描述出机器人在动态步行中从欠驱动相到完全驱动相的切换及步行中产生的冲击碰撞问题,体现了动态步行的非光滑动力学特性。借助仿真平台对研究对象各关节运动参数进行分析,结果反映出机器人模型在完整的周期步行过程能够稳定行走及发生碰撞时各运动参数的变化,验证了参数化模型的正确性。     

带高速旋转飞轮的球形机器人结构设计与运动稳定性分析

为提高欠驱动的球形机器人在低速运动时的稳定性,提出一种安装高速旋转飞轮的球形机器人.该机器人的机械结构主要由球形外壳、内框、长轴电动机、短轴电动机和旋转飞轮构成.给出该机器人的简化模型和结构参数.在运动学分析的基础上,采用带约束的拉格朗日方程建立该机器人的动力学模型,并对该动力学模型进行简化.模型分析结果表明:飞轮高速旋转产生的陀螺效应可减弱外界干扰力矩的影响,保证球形机器人在低速运动时航向角的稳定性.在塑胶跑道上进行直线定位运动试验,当飞轮高速旋转时,与飞轮停止时相比,机器人运动过程中的航向角偏差和航向角速度波动减小,运动结束时机器人中心偏离直线的位移减小.试验结果证明了该设计的有效性.     

具有张力反馈和关节位置全闭环的挠性驱动单元性能测试

对于仿人机器人,关节采用挠性驱动方式可吸收振动,减缓冲击,以减小对双足步行的影响。为此,设计并研制FDU-II型挠性驱动单元,与FDU-I型挠性驱动单元相比,具有轻量化、有安全保护、锁紧器使用方便、刚度高、输出精度高等优点;分别进行FDU-II型挠性驱动单元的转速测试、驱动能力测试、大转角频繁往复运动测试、频响测试、机器人步行样本测试等性能测试及用于双足机器人上的步行测试试验;针对等幅值下,频率越高电动机转速越大,机械系统受电动机额定功率所限无法测出其截止频率的问题,提出一种变幅值变频率的频响测试方法,即令电动机转动频率越高时,幅值越小,保证电动机始终不超过额定功率,该方法可有效解决电动机额定功率一定情况下系统截止频率的测试问题;测试结果表明FDU-II型挠性驱动单元在负载力矩12.6 N·m时,其输出转速达到77.5o/s,且频响达到6.1 Hz,表明FDU-II比FDU-I有更高带宽及更大功率;步行试验结果表明FDU-II型挠性驱动单元有足够的驱动能力驱动双足机器人髋关节等关节,并实现稳定的双足步行。     

Energy dissipation rate control and parallel equations solving method for planar spined quadruped bouncing robot

This paper continues our investigation into Energy dissipation rate control (EDRC) and Parallel equations solving method (PESM). Our previous works showed how EDRC enables us to provide stable walking or running gaits for legged robots via controlling robot’s loss of energy rate during Impact phases (IP). This is while PESM facilitates the trajectory designing process of the robot’s active joints during each Single support phase (SSP) by solving the robot’s inverse kinematic and inverse dynamic equations in parallel. Even though PESM is very powerful and suitable for both quadruped robot, and despite the under actuation problem at the ankle joint, and biped robots, despite the presence of Zero momentum point criteria (ZMP) at the ankle joint, still, this method is limited to robots just with three and five DoFs. Therefore, the main purpose hereis to show how it is possible to extend the application of PESL to a spined quadruped robot with four DoFs by employment of the Central pattern generator (CPG) controller units and finding a connection among CPG’s output, PESM and the robot’s foot placement. Besides, as EDRC is employed to realize a stable bouncing gait for the robot, a whole numerical study is performed on the robot’s impact dynamic equations to evaluate the effect of spine joint on the robot’s impact dynamics.

     

双足步行机器人的下肢机构设计

为使足行拟人机器人的下肢机构结构更加紧凑灵活,提出了一种串并联结构相结合的双足步行机器人下肢机构设计方案。在该方案中,设计了二自由度的并联机构作为十字交叉的二自由度关节结构,并用于二自由度的踝关节和两个方向转动的髋关节。设计了单自由度平面连杆机构用于膝关节和一个方向转动的髋关节。详细描述了足行机器人下肢机构的踝关节、膝关节和髋关节的结构设计,为双足机器人的步态控制打下基础。     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。     

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。     

教学型双足步行机器人直线行走步态稳定规划方法

通过对双足机器人行走步态的研究,利用多项式插值法对双足机器人直线行走步态进行规划,分析了踝关节轨迹和髋关节轨迹,通过调节单腿支撑期和双腿支撑期的比例系数来调整机器人的行走步态,使其实现稳定步行。再通过ADAMS建立虚拟样机仿真实验,验证了这种步态规划方法的正确性与可行性。     

基于ADAMS的液压驱动四足机器人步态规划与仿真

为实现机器人的高负载、不平地面的高适应性运动要求,设计了一种液压驱动的四足机器人。分析了四足机器人的机械结构,机器人腿结构具有运动关节少、运动空间范围大特点,利用ADAMS规划设计了四足运动步态,并在ADAMS中进行动力学仿真。仿真分析了对角步态下机器人质心位移、液压缸驱动力以及与地面的接触力等参数,获得了液压缸工作流量、功率参数。仿真结果验证了机器人结构设计、步态规划的可行性,为液压缸、发动机选型提供了参考依据。     

双足机器人的动力学分析与仿真

根据对双足行走机器人的结构和步行步态的分析,将其简化为七连杆机构,并建立了运动学和动力学方程,在设定的双足机器人行走步态条件下,计算出其运动过程中各关节的运动轨迹及所需扭矩,并对其步行时步态的稳定性和各个关节扭矩进行了分析和比较,揭示了双足机器人行走时各关节所需扭矩之间的配比关系。