电动力液压驱动四足双臂机器人的设计与实现

针对定基座机器人在复杂环境下作业能力不足的问题,研制出电动力液压四足双臂机器人,将浮动基座与双臂系统的优势有机结合,能够代替人员完成复杂环境下应急处置、工程作业等任务。详细阐述了四足双臂机器人的机械结构、机载电液动力系统、分布式控制系统以及仿真与操作训练平台的设计与实现。提出基于全身虚拟模型的足底力分配方法与足臂协调运动规划方法,实现了躯干浮动基座与双臂系统的联动,大大提升了机器人的作业能力和效率。通过搭建的仿真与操作训练平台完成单臂作业以及双臂协同作业的仿真,验证了所提出控制方法的有效性,并对机器人操作员进行操作训练。在实际样机实验中,测试了单臂抓取以及双臂协同抓取的能力,证明了四足双臂机器人能够满足复杂环境下移动作业的需求。     

基于时域无源性控制的六足机器人双边触觉遥操作

随着六足机器人研究工作的深入,针对其遥操作系统的开发面临诸多挑战.为了弥补松软接触条件对系统可控性及稳定性的影响,提出一种基于时域无源性控制(time-domain passivity control,TDPC)的六足机器人双边触觉遥操作方法.其主从两端采取位置-速度的交互模式,通过分析足-地柔性接触的作用机理,构建无源观测器和无源控制律以补偿足底滑移所导致环境系统的潜在有源性,采用速度跟踪模式设计基于触觉力反馈的系统控制架构,并利用Llewellyn准则确定控制律参数的稳定范围.最后,搭建半物理仿真实验平台并验证所提出的双边触觉遥操作方法在松软地形条件下能够保证六足机器人遥操作系统的稳定,且兼具较好的持续跟踪能力.     

仿生四足机器人设计及运动学足端受力分析

仿生四足机器人腿部结构设计与生物腿部实际结构存在差异,足端与地面的刚性接触力对于控制其运动平稳和收敛会产生不利影响。为解决上述问题,分析德国牧羊犬骨骼结构,通过图像处理和分析手段获取牧羊犬对角小跑步态运动中四肢各关节的运动规律,设计一款四足机器人。该机器人足端具有转化足端与地面刚性接触为柔性接触的机构。根据正运动学和逆运动学理论分析模型足端工作空间。将仿真获得的受力曲线与实际受力曲线进行对比,结果表明,运动控制函数和柔性机构更有助于四足机器人的运动平稳。     

足式水上行走机器人智能控制方法设计

以蛇怪蜥蜴为仿生对象,设计了一种足式水上行走机器人.鉴于水面环境的复杂性,提出利用计算机仿真的方法构建足式水上行走机器人及其外界环境整个系统的数学模型.分析了现有的ZMP(zero moment point)算法难以适用足式水上行走机器人控制的原因,提出机器人的CPG(central pattern generator)模糊控制方法.设计了足式水上行走机器人的CPG控制器和模糊控制器,进行参数分析,完成了机器人整个控制系统的搭建,并进行了仿真验证.最后进行了机器人户外水上行走实验,测定了水上行走过程中的实时偏角.实验结果表明该控制方法有效.     

一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人

针对现有基于串联式机械腿结构的四足机器人无法同时满足承载能力大、环境适应性强、运动速度快等要求的问题,提出了一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人结构原理,集成了轮式运动和足式运动各自的优势.在对机器人并联式轮腿进行运动学和动力学分析基础上,建立了单腿动力学模型和机器人整体运动学模型,提出了机器人机身姿态调整算法,有效提高了机器人运动过程中姿态的平稳性.仿真与实验验证了所提出的轮足复合式机器人的可行性和轮式运动时机器人机身姿态调整策略的有效性.     

具有悬挂系统的轮腿式机器人设计与分析

设计了一种具有独立悬挂系统和足端缓冲机构的六足轮腿式机器人.该机器人结合了轮式机器人和腿式机器人的优点,同时将汽车的独立悬挂系统的设计思想应用在机器人上,降低了不平整地面对机器人的冲击,并减轻了由此引起的振动,保证了机器人在不同的复杂环境下机身内部环境的稳定.本文对该机器人的机构与结构进行阐述,建立了其运动学模型以及其悬挂系统机构和足端缓冲机构的单自由度振动模型,并对其缓冲机理进行分析对比.通过ADAMS仿真软件在不同地形环境下对其进行动力学仿真分析,验证了在机器人的运动过程中,与足端缓冲机构相比,悬挂系统的缓冲减震效果受地形影响较小,且悬挂系统和足端缓冲机构相结合会比单一缓冲机构具有更好的缓冲减震作用.     

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人．该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动．首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计．其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式“三角”步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性．最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性．     

具有弹性连杆机构的四足机器人对角小跑步态控制

为了提高四足机器人的运动性能和抗冲击能力,设计了一种具有弹性连杆机构和线驱动系统的四足机器人,称为LCS(linkage-cable-spring)四足机器人.借鉴SLIP (弹簧负载倒立摆)模型,提出了基于着地角的速度控制策略和基于能量补偿的质心高度控制策略.采用姿态控制策略来提高对角小跑步态的运动稳定性.仿真实现了给定前进速度条件下稳定的对角小跑步态.搭建LCS四足机器人样机实验平台,完成了踏步、对角小跑步态行走实验.实验结果表明,LCS四足机器人运动过程中机身翻滚和俯仰角能控制在2?以内,并能平稳通过10 mm×10 mm小型障碍物.     

复杂环境下仿人机器人有效支撑区域的感知

当主流的仿人机器人都采ZMP(zero moment point)理论作为稳定行走的判据.实时ZMP点落在支撑足与地面接触形成的多边形支撑区域内是仿人机器人实现稳定步行的必要条件.因此实现仿人机器人在复杂现实环境中稳定行走,必须要求机器人足部感知系统提供足够丰富的地面环境信息,从而可以准确获取支撑区域的形状以实现基于实时ZMP点的稳定控制.文中将柔性阵列力传感器应用于仿人机器人足部感知系统,提出了获取仿人机器人支撑区域形状的方法,而且通过实验验证了其可行性.     

单足弹跳机器人联合仿真教学实践

提出通过ADAMS软件建立单足弹跳模型,搭建ADAMS与MATLAB的联合仿真平台,阐述通过在仿真中实时观察机器人的运动过程,并结合模型反馈回的数据曲线,学生可以完成单足模型的腿部摆角控制实验、能量补偿实验等。     

微小气动机器人系统的模糊自适应PID控制

基于尺蠖的移动机理,研制了一种具有柔性移动机构的微小气动机器人内窥镜诊疗系统。描述了微机器人系统的本体结构和运动机理,并通过分析机器人系统的驱动力学特性和机器人的移动控制特性,给出了基于模糊自适应PID的气压-位置伺服控制方法,计算机仿真实验结果表明基于模糊自适应PID算法可实现机器人系统的有效控制。     

四足机器人对角小跑步态全方位移动控制方法及其实现

为实现四足机器人在平面和斜坡上的全方位移动,提出了基于对角小跑步态的运动控制方法.基于所推导的四足机器人运动学方程和仿生步态规划方法,将机器人在平面内的运动解耦为前向运动、侧向运动和自转运动3部分以降低运动控制的复杂度.首先利用各部分振荡幅度来实现机器人在3个方向上的运动速度控制,然后利用将各部分运动合成实现四足机器人在水平面内的全方位移动控制;基于平面的全方位移动控制方法,对足端位置进行映射,实现了机器人在斜坡上的对角小跑步态全方位运动控制.最后,分别在平面和斜坡上进行了仿真和实际物理样机实验.步程计数据、仿真数据与物理样机实验结果之间的差别在可接受范围之内,证实了该方法有效地实现了机器人的速度控制和运动解耦,验证了所提出方法的正确性和有效性.     

四足机器人步态生成算法研究与仿真

在四足机器人行走动态控制的研究中,为使四足机器人能在复杂地面状况下行走,提出了一种四足机器人在不平坦地面爬行时的平动步态生成算法.首先构建四足机器人步行机构模型,根据静态稳定性对角线原理的判定确定机器人腿的摆动顺序;以平动步态为例根据机器人前行方向、初始位姿、地面不平坦等因素计算一个步态周期后机器人的位姿从而实现平动直线行走的连续步态算法.考虑了机器人机构约束以及状态变化因素使机器人在每一个步态周期都能跨出尽可能大的步幅实现行走效率的最大化.通过仿真验证了算法的正确性.仿真结果对四足机器人步态稳定性的研究及实现具有实际的参考价值.     

基于ORB-SLAM2的四足机器人定位和建图

四足机器人被认为是灾后救援、野外探索以及危险环境巡逻搜查的最佳移动平台,而定位与建图又是机器人在复杂地势环境进行自主行走的前提。搭建了一个基于四连杆并联机构的四足机器人运动平台,并且针对该四足机器人设计了相应的运动控制算法。为解决四足机器人在复杂环境中的地图构建与定位难题,采用ORB-SLAM2算法进行四足机器人的三维位姿估计,同时构建一个线程用于三维稠密点云信息的获取与拼接,并最终实现了在复杂环境中的四足机器人定位与建图功能。     

全方位移动装配机器人运动学分析

针对空间狭小拥挤、地面不平的特殊装配环境,设计了一种5自由度全方位移动装配机器人.该机器人主要由基于4组并联布置的MY(mutual Yo Yo)轮的全方位移动平台和具有2自由度的并联举升机构组成.首先,针对该机器人的全方位运动和并联举升机构的2自由度结构特点,建立了机器人的整体运动学模型,并基于该模型对机器人进行了圆形曲线轨迹仿真.然后,设计双曲线滤波PD(proportional derivative)控制器对机器人的轨迹进行跟踪并分析其轨迹跟踪误差.该控制器能控制平均误差在5 mm左右,且误差随跟踪时间减小而减小.最后,通过实验结果验证了该运动学模型和仿真结果的正确性,且该控制器能迅速并精确地实现其轨迹跟踪,从而进一步验证了该全方位移动装配机器人的优越性.     

基于远程控制的六足搜救机器人系统的设计

针对灾后现场环境的危险性与复杂性,设计了一套搜救机器人系统;在基于仿生学的基础上设计机器人六足式移动平台,以Atmega128型单片机为控制核心,通过步态与动作控制,使之具有强大的越障能力和机体灵活性;整个搜救系统分为机器人系统和控制中心系统两大部分;机器人系统配有完备的传感器模块以及高清摄像头,通过无线传输技术,可在0～1 000 m范围内实现向控制中心系统上位机的数据与图像传输,并接受上位机控制指令,控制中心根据采集到的信息,可以有效指挥现场搜救人员,大大提高了搜救速度与效率。     

一种轮足复合式爬壁机器人动力学建模与分析

针对爬壁机器人不同状态下吸附力合理值的求解问题开展研究.首先分析了一种包含闭链约束的轮足复合型移动机构,基于运动等效原则将其拆成开链机构.利用牛顿-欧拉算法对分拆后的开链机构进行动力学建模.基于动力学模型,以运动失效的临界条件为约束函数,构建爬壁机器人在不同倾角壁面上的吸附力学模型,从而获得不同状态下吸附力的合理值.仿真和实验表明基于该模型获得的吸附力参数能够保证机器人的安全吸附.因此所构建的模型是合理的,可以为爬壁机器人在不同状态下合理控制吸附力大小提供理论依据.     

一种仿婴儿欠自由度四足爬行机器人

受婴儿爬行时独特的躯体形态的启发,设计了具有柔性脊柱和弹性膝关节的欠自由度四足爬行机器人BabyBot,其脊柱为变截面通体柔顺结构,膝关节为无自由度可变形被动关节.利用伪刚体法对柔性脊柱和弹性膝关节的结构参数进行设计,采用中枢模式发生器(CPG)运动控制模型生成对角爬行步态轨迹,柔顺机构与仿生控制有机结合形成了BabyBot机器人"以膝着地、腰髋耦合"的仿婴儿爬行步态.对欠自由度仿婴儿机器人的机构可行性,以及柔性脊柱对机器人运动性能的影响进行仿真及实验,结果表明,具有弹性膝关节的欠自由度四足机器人可以实现平稳的爬行运动,变截面柔性脊柱能够减小机器人行走时躯干在横滚及偏转方向的姿态波动程度,提高了机器人运动的协调性和轨迹准确性,并揭示出婴儿爬行时脊柱的柔顺运动对稳定视觉的潜在作用.     

四足仿生机器人单腿系统

为实现四足仿生机器人动步态行走,设计一款基于液压驱动方式的机器人仿生单腿系统.首先,在四足哺乳动物肌肉-骨骼结构分析的基础上,确定了机器人单腿的自由度配置;其次,通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真,获得关节输出特性;随后,在仿真研究的基础上,完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计以及控制系统设计;最后,搭建单腿子系统性能测试平台,并完成了单腿纵向弹跳实验.弹跳实验验证了机械结构和控制系统设计的正确性和相关控制算法的有效性.     

仿海蟹机器人浮游步态动力学建模与运动控制

为实现足桨耦合推进仿海蟹机器人在未知海流扰动作用下对目标点的跟踪控制,对仿海蟹机器人浮游步态的动力学和运动控制进行研究.综合考虑重力、浮力、游泳足拍动产生的推力以及水动力的影响,建立了仿海蟹机器人水下复杂环境的动力学模型.在此基础上,设计了一种基于指数趋近律的滑模变结构控制器,将游泳足上下拍翼运动和摇翼运动的相位差作为被控量,对机器人的转艏角速率进行控制.通过李亚普诺夫直接法,证明该系统可实现全局渐近稳定.最后进行了单一目标点和多目标点跟踪运动仿真和实验,结果表明:该方法可以使机器人具有良好的目标点跟踪能力,并对系统动力学参数不确定性及外界扰动具有较高鲁棒性.