考虑足地作用的足式机器人环境表征与路径规划

足式机器人在行走过程中,足端与地面之间的相互作用影响机器人的地面通过情况。足地作用与地表的几何形状和地面的物理特性息息相关,因此仅基于几何特性地图进行路径规划难以满足野外环境下规避松软沙土等非几何危险的需求。针对该问题,考虑足地作用力学提出包含几何与物理特性的环境模型进行足式机器人路径规划。通过简化和统一软硬地面下的足地作用模型,提出表征地面法向松软特性和切向摩擦特性的参数化指标,结合几何特性构建更全面的环境模型。综合考虑影响机器人通过性的地面几何与物理特征,重构路径规划的优化目标,通过图搜索算法实现最优路径规划。以六足机器人Elspider为对象进行仿真和试验,验证了所提出的方法能够有效规避非几何危险,实现了更安全、通过性更强的路径规划。     

基于虚拟目标点的足球机器人路径规划的研究

在构筑微型机器人足球系统的基础上,开发了视觉子系统和无线通讯子系统。针对足球机器人运动的决策子系统,提出了基于虚拟目标点的路径规划方法和避障算法。仿真和实验证明,这种算法在动态路径规划中的有效性。     

基于六足探测机器人的自动避障控制

为了实现六足机器人在探测领域中自动避障的目的,通过分析主要论述了六足机器人的步态分析、路径规划、控制方案和算法.该系统采用PBASIC语言编程开发,并将该系统在自行装配的六足机器人上进行了多次试验与调试.试验结果表明,该方法是可行的,且适应性强、抗干扰能力好,具有良好的可扩展性.     

基于势场和运动约束的月面六足机器人路径规划算法

月球探测是我国航天工程的重要任务。受限于轮式月球车的运动能力,目前人类对月球的探测活动局限于较为平缓的月海地形,而六足机器人相较于月球车具备更优越的通过能力与冗余容错能力,在未来月面探测任务中有广阔的应用前景。针对我国未来月面探测任务需求和巡视及科学考察等目标,现有的六足机器人缺乏针对月面复杂地形环境的路径规划算法。为此通过分析月面地形,建立了二维月面仿真环境随机生成算法,并根据六足机器人运动学模型,分析路径规划问题中月面六足机器人的运动约束,结合人工势场方法,设计了月面六足机器人路径规划核心代价函数,提出了一种基于势场和运动约束的月面六足机器人路径规划算法,为我国未来极端星表环境下探测机器人研制提供技术基础。通过实验对比分析验证,相比于A^*算法和RRT算法,该算法规划路径短,运行效率高,相比于传统人工势场法,该算法具有更高的鲁棒性。     

足式机器人单腿跳跃仿真与实验

针对跳跃运动足地冲击大的特点,基于仿生学设计一种液压驱动四足机器人单腿,分别建立单腿着地相和飞行相的运动学和动力学模型。为了满足单腿跳跃性能要求和减少足地冲击,提出基于三次曲线轨迹跟踪的跳跃方法。使用MSC.ADAMS和Simulink对单腿竖直跳跃过程进行仿真,并搭建了单腿竖直跳跃实验平台和闭环控制系统。     

基于慧鱼模型的多足爬行机器人系统研究

为了研究足式机器人的相关机械特性,基于慧鱼模型设计并组装了一种多足爬行机器人。应用机械原理相关知识,通过CATIA三维建模软件,对该机器人进行了三维建模。根据该建模,应用德国慧鱼创意组合模型进行了组装。采用MCS-51单片机对该机器人进行了控制电路设计及程序调试。最后进行了实物测试,测试结果表明,该机构结构合理、运行稳定,达到了预期的载物能力和运输效力,并在此基础上加装了喷水、切割等多功能机械结构,值得推广。     

RTK与Lidar组合优化机器人导航控制

针对传统移动机器人导航控制时的灵活性较差,且易受到距离和空间限制的问题,提出了基于RTK系统和激光雷达(Lidar)探测数据相组合的机器人导航控制方法,由RTK系统获得大范围场景的精确定位数据以构建全局地图并通过线性自抗扰控制器进行全局导航,通过激光雷达探测场景内局部小范围的障碍物数据并构建局部地图,并采用聚类分段拟合等算法精确描述障碍物的边缘信息,由改进的人工势场法实现机械人的自动避障.实测数据实验结果表明,所提方法达到厘米级的避障效果.     

基于过路径点的三次多项式插值函数的仿蜘蛛机器人足路径规划

针对复杂隧道环境中机器人的避障问题,提出使用过路径点的三次多项式插值算法对机器人足运动路径进行规划。设计了一个能在隧道空间灵活运动的18关节六足仿蜘蛛机器人,运用D-H建模方法对仿蜘蛛机器人足进行运动学建模,并推导了逆运动学方程式,基于蒙特卡洛法对足端可达空间进行仿真分析,并基于过路径点的三次多项式插值算法对机器人足避障轨迹进行路径规划仿真。仿真结果表明,在仿蜘蛛机器人足路径规划中应用过路径点的三次多项式插值方法能保证步行足运动动作的平滑性,从而避免了因力矩突变引起的冲击作用,同时足端能通过路径点以满足避障要求。     

水田土壤上典型步态及其参数对足式机器人能耗的影响

通过ABAQUS建立了足式机器人单腿有限元模型和土壤有限元模型,进行了有限元动力学仿真,探究水田土壤环境下足式机器人典型步态（矩形、修正摆线、椭圆、零冲击）及其参数对单位能耗的影响规律,并在自主研发的足　地作用机理试验台上,设计了与仿真试验参数相同的实际试验,验证了仿真试验结果的正确性。结果表明,椭圆步态能耗性能最好,在步高H=40 mm时,椭圆步态最小单位能耗比矩形、修正摆线、零冲击步态最小单位能耗分别减小12.5%、11%、12%。仿真试验与实际试验机械腿行走足迹比较吻合。仿真试验与实际试验得到的机械腿膝关节和髋关节扭矩吻合程度较好。     

基于能耗目标优化的多足爬墙机器人足力控制研究

针对多足爬墙机器人高空极限作业时需解决的能耗问题,提出了基于能耗性优化的多足爬墙机器人足力控制方法。以八足爬墙机器人为例,从机器人作业的安全性和能耗性角度描述了多足爬墙机器人的足力优化模型,实现了多足机器人的关节驱动力和足底接触力的转换,有效地减少了优化变量的数量,简化了优化的计算。通过分析多足爬墙机器人的关节驱动力约束和动力学约束,建立了机器人总电机功率与机器人运动步态及作业环境(包括攀爬角度与吸附平面的粗糙度)的关系。并综合考虑了爬墙机器人吸附安全等特殊性,对机器人的足底接触力进行优化,提高机器人对环境变化及支撑腿数量变化的适应能力,降低关节驱动电机的能耗,实现了机器人电机总能耗最小化的目标。实验仿真结果证明了所提出的控制方法简单可行。     

基于运动相对性的六足机器人机体运动规划

将处于支撑相的六足机器人视为时变的并联机构进行运动学分析,给出了姿态给定情况下机体工作空间的确定方法及边界方程。在此基础上基于运动相对性原理,提出将机体的运动规划转化为足端轨迹规划的方法,从而简化机体运动规划中逆解的求取问题,并通过仿真与实验进行了验证。结果表明：六足机器人在支撑相内机体的工作空间为至多是支撑腿条数个空心球体的交集,利用运动相对性原理对支撑相内机体的运动规划问题进行转化简便、可行。     

基于避障准则的双臂手移动机器人桁架内运动规划

针对桁架内移动的避障要求,研究双臂手移动机器人桁架内运动的规划方法。基于状态空间模型提出直角坐标空间下的六面心、八边心和八顶点搜索算法,避免了C空间内复杂度呈几何级数增长的问题,实现了末端无碰撞路径搜索。建立双臂手移动机器人三节臂的平面内避障准则,解决了机器人在桁架内运动时机器人臂与桁架杆的碰撞问题。根据平面内避障准则和臂形标志,求得了各个关节角的解析解,解决了数值解的不封闭问题。每个时刻末端姿态由通用旋转变换公式线性插值得到,在Matlab中仿真双臂手移动机器人桁架内的运动,验证了双臂手移动机器人在桁架内运动时避障方法的可行性。     

基于危险指数最小化的机器人安全运动规划

为防止机器人在运动过程中与人相撞,提高机器人运动的安全性,提出一种基于危险指数最小化的机器人安全运动规划方法。该运动规划方法把机器人的运动分为全局安全路径规划、在线实时安全轨迹规划、实时避碰控制和目标再搜索等四个阶段。基于人机之间的距离、机器人惯量、人机之间相对运动速度等因素,对每一阶段进行危险程度的评估,得到危险指数,以危险指数最小化为目标规划各阶段机器人的运动。建立三自由度机器人与人共处数学模型,并在Matlab下对不同阶段的运动规划进行仿真。为了进一步验证算法有效性,搭建了工业机器人安全运动规划试验平台,实现了基于危险指数最小化的安全避碰。仿真与试验结果表明,基于危险指数最小化的机器人安全运动规划,可以有效确保人在机器人工作环境中的安全性。     

基于模糊推理系统的新型并联机器人路径规划算法

提出一种新型并联机器人,通过分析并判断其雅可比矩阵,证明该机构可以进行无内部相对运动的整体快速、稳定运动.为满足其快速运动要求,提出一种基于模糊推理系统(FIS)的轨迹规划算法.运用模糊推理将障碍位置信息与其沿某一方向运动的比例信息模糊化,建立模糊规则并解模糊最终获得精确路径输出.仿真实验验证了算法的有效性.     

足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法研究

液压油源是足式机器人液压驱动系统的核心供能元件,将电能产生的机械能转化为油液的压力能,为驱动机器人各关节运动提供动力源。液压油源质量一般占据足式机器人整机质量超过20%,实现油源的轻量化,将有助于提升足式机器人的续航能力、机动性和承载能力。传统液压油源设计过程中更关注性能,在轻量化匹配设计方面还有待进一步完善。首先进行足式机器人轻量化液压油源的原理设计;其次将液压油源以功能为依据进行模块划分,分析液压油源各模块质量影响参数;针对质量与体积占比较大的电机泵进行匹配研究,针对蓄能器模块进行参数轻量化分析;针对集成阀块的轻量化设计,研究流道构建与元件排布原则;成功研发一种轻量化液压油源样机;最终形成了一种足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法,有助于实现足式机器人液压驱动系统的轻量化。     

双臂机器人无碰撞运动规划

针对双臂机器人任务操作中的非结构化环境特点 ,本文对双臂机器人无碰撞运动规划问题作了深入的研究 ,将 C空间法成功地应用于双臂机器人的无碰撞运动规划 ,通过建立时变 C空间 ,提出了从臂无碰撞状态数据库(CSDB)概念。在本算法中 ,双臂机器人无碰撞运动路径可以通过对从臂无碰撞状态数据库的搜索获得 ,运用该算法可以在时变 C空间中得到一条最优的无碰撞运动路径 ,本算法已经在双臂 SCARATES型机器人上通过试验论证 ,证明算法可行 ,效率较高     

智能车辆的行为动力学运动规划方法研究

针对城市道路行驶的动态环境和智能车辆的典型驾驶行为,提出一种基于行为动力学的运动规划方法。根据智能车辆的导航控制要求,以航向角和线速度为行为控制变量,建立了基于行为动力学的运动规划模型。根据对智能车辆行驶环境和典型驾驶行为的分析,建立运动规划模型的坐标系;根据行为动力学原理,分别用吸引子和排斥子表达目标和障碍物,并建立趋向目标和避障的行为控制变量的吸引子和排斥子模型;通过吸引力和排斥力加权合成,建立了智能车辆行为动力学运动规划模型,实现了车辆在横向的航向角控制和纵向上的速度控制。仿真实验表明:所建立的行为动力学运动规划模型可实现车道保持、换道及超车等行为,并且能在车道内安全行驶。