液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划

针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题,面向竖直跳跃运动,以液压四足机器人单腿为研究对象,建立液压驱动四足机器人单腿运动学模型,并分别对机器人单腿处于起跳相、落地相和腾空相时进行轨迹规划;根据关节参数,通过运动学逆解求得驱动函数,利用仿真软件ADAMS进行竖直跳跃步态仿真;搭建单腿实验平台,进行实验验证,依据得到的动态特性,分析步态规划的准确性及合理性,为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据。     

基于足端轨迹规划算法的液压四足机器人步态控制策略

设计一种液压四足机器人仿生机构,通过设定相应的坐标系为机器人进行运动学建模,并对行走过程中单腿的相位关系进行了分析。针对行走过程中足端的拖地、滑动和接触冲击等问题,提出一种零冲击的足端轨迹规划改进算法,并实现了步态规划算法设计。步态规划根据步态中各腿间的相位关系,借助四足机器人运动学模型进行逆运动学解算,求出各腿的关节角度函数,利用机构的几何关系得到各液压缸伸缩量控制函数,对试验样机各腿进行伺服驱动控制,从而实现液压四足机器人的步态规划行走。仿真试验结果表明,在该策略驱动控制下液压四足机器人行走过程连续平稳,样机足端轨迹较为平滑,躯干起伏较小,证明了该足端轨迹规划方法用于四足机器人步态设计的合理性和有效性。     

液压驱动单腿跳跃机器人柔顺着地分析与控制

为缓解液压驱动足式机器人动态步态行走时着地瞬间足端冲击对机器人系统及其运动控制的影响,提出了一种基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法。以液压驱动单腿跳跃机器人为研究对象,分析机器人足端着地冲量,通过选择合适的机器人着地姿态和减小机器人着地前足端速度实现机器人柔顺着地,为此在空中相进行余弦速度曲线关节运动轨迹规划,以及着地相进行余弦函数关节运动轨迹规划。将该方法分别应用于基于MATLAB/Simulink软件建立的仿真模型和试验样机进行单腿竖直跳跃控制实验,仿真和试验结果显示采用该方法的机器人跳跃控制消除了足端着地瞬间地面作用力在膝关节液压缸无杆腔形成的液压冲击,实验结果表明提出的基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法合理可行。     

液压四足机器人足端的力预测控制与运动平稳性

针对液压四足机器人在坚硬路面行走时,足端位置易受刚性冲击,导致运动姿态平稳性差的问题,提出一种液压四足机器人足端力预测控制方法。在分析液压四足机器人结构的基础上,根据运动学与力学模型构建了液压伺服系统的力控制模型;采用改进自适应布谷鸟优化BP神经网络算法建立足端力预测控制模型,通过仿真对比分析验证了该算法的可行性。最后通过液压四足机器人KL样机进行足端力及刚性地面行走测试,结果表明该方法能有效增强液压四足机器人腿部的力柔顺性,提高运动姿态平稳性。     

轮足混合式行走机器人运动学建模与仿真

结合足式机器人与轮式机器人的优点,提出了一种基于2(6-UPUR+3P)混联腿的轮足混合式行走机器人构型,并对该机器人进行了运动学建模与仿真分析.基于螺旋理论建立机器人并联腿部单支链的六维运动螺旋系,基于此得到1阶影响系数矩阵,进而推导出6-UPUR并联腿部的运动学模型;提出了机器人机身姿态调整算法,改善了机器人在静态步行步态下机身运动的平稳性;用Matlab算例仿真与Adams仿真对比验证得出运动学模型的正确性,用Adams/Simulink联合仿真验证得出机身姿态调整策略的有效性,为进一步进行轮足混合式行走机器人控制系统的设计奠定基础.     

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。     

液压驱动四足机器人单腿结构设计与分析

为实现四足机器人不同路况下的正常工作,设计了液压驱动的单腿结构。首先,提出了四自由度单腿机构设计方案,建立了单腿简化结构的运动学模型,并利用SimMechanis进行了仿真,通过优化结构参数,获得了最佳的足部运动空间。然后,以上述结构参数为设计条件,进行了单腿的结构设计和运动学仿真。仿真结果验证了腿部结构可以达到理想的运动空间,最后,对受力分析结果进行了研究,以减小液压缸的受力为目标,为机器人在不同的路况下选择不同的步态提供了依据,可以提高机器人的适应性。     

一种新型弹性足式机器人腿部结构设计与分析

提出了一种新型弹性足式机器人腿部结构设计方法。设计了一种结构简单、响应速度快、抗冲击性强的新型足式机器人腿LCS-Leg(Linkage cable-drive spring leg)。该机器人腿采用弹性连杆机构和线驱动系统,有效降低了腿部惯量和着地冲击力,提高了机器腿的响应速度和减振抗冲能力。使用复数矢量法和D-H方法建立该机器腿运动学模型,基于此模型求解足端运动工作空间,分析了LCS-Leg的越障能力。设计单腿仿真试验平台,对两种不同结构的机器腿进行仿真,对比两者的质心高度、前进速度和足端接触力,验证了所设计机器腿的运动性能。试制弹性足式机器人腿及其试验平台,通过实物样机单腿行走试验,验证了设计方法的有效性,并完成了四足机器人整体结构设计。     

基于ADAMS的四足仿生机器人单腿结构设计

利用ADAMS软件虚拟样机技术,设计了液压驱动的四足仿生机器人单腿机械结构。通过分析四足哺乳类动物身体结构及运动特性,设计了仿生机器人的机械机构,确定了机器人腿部自由度配置,建立了仿真模型。根据动物的实际运动步态,规划并设计了静步态及对角小跑两种步态,进行了逆动力学仿真,得到关节等关键部位输出数据。在仿真实验的基础上,设计了液压作动器的关键参数及四足仿生机器人单腿机械结构。     

仿人机器人平地行走步态规划与仿真

为研究仿人机器人的平地行走运动,首先,根据人体结构特点和运动特征,并基于二维倒立摆原理,规划机器人平地行走过程中质心和摆动腿踝关节的运动轨迹;其次,通过建立机器人支撑腿和摆动腿的几何模型,对前向、侧向运动中两条腿所涉及的10个自由度的运动进行规划;进一步,根据逆运动学求解各关节角的运动轨迹,利用仿真软件ADAMS建立仿真模型,并进行平地行走虚拟仿真。仿真结果验证了文中所采用的步态规划方法的可行性,同时也验证了机器人结构设计和电机选型的合理性,为机器人样机的研制提供了理论依据。     

四足机器人Trot步态的偏航运动控制

为解决四足机器人Trot步态的偏航运动控制问题,借鉴两轮差速驱动的原理将机身的运动分解为两着地腿的运动,再基于弹簧倒立摆模型对单个着地腿的前进速度和侧移速度进行控制,最后通过控制两着地腿的运动来控制机器人整体的运动,从而实现对机器人偏航角的控制.基于这种思想,可以对偏航角、前进速度和侧移速度的控制进行统一设计,简化了基于三维模型的四足机器人运动控制的难度.在虚拟样机中进行仿真实验,发现控制方法在前进速度为零和非零时都能对偏航角进行很好的控制.     

A new approach for development of quadruped robot based on biological concepts

This paper proposes the design and development results of a new quadruped robot. The proposed new quadruped robot has a couple of advantages of flexible locomotion. The quadruped robot is designed and modeled based on a new concept that is the structure model with three segments of quadruped legs. New leg configuration with the simplified operation of four hip actuators is introduced. The posture of the new quadruped robot is more similar to the posture of dog than that of the previous quadruped robots. The objective of this paper is to develop a quadruped robot, which can walk and run in a trot gait with a simple PID controller. Numerical simulation and experimental results are shown to prove the locomotion performance of the proposed controller for the proposed quadruped robot.     

Mechanism of Spine Motion About Contact Time in Quadruped Running

The current research of quadruped robot focuses on the quadruped robot with spine motion. Contact time is a very important part of system performance. However, the mechanism of spine motion about contact time has not been clearly elucidated. In this paper, the e ect of spine motion on contact time is studied deeply from dynamic view.Firstly, a simplified model of the quadruped robot with spine joint is set up, its dynamic equations are derivated, and a method that can generate passive periodic locomotion is proposed. Secondly, according to the vertical spring oscillator model, the two-dimension planar locomotion of the simplified model is regarded as a special vibration in the vertical direction, and the approximate formula of calculating contact time is obtained. Finally, the approximate formula of calculating contact time is verified by the simulation results of passive periodic locomotion, and the e ect of spine motion on contact time is deeply discussed based on the approximate formula of calculating contact time. The discussion proves that spine motion indeed has little e ect on contact time, but spine motion can slightly reduce body pith movement and regulate the leg sti ness in leg contact phase. This research proposes an e ective research method which can be used to study the motion mechanism of the quadruped robot with spine motion,and the mechanism of spine motion about contact time is clearly elucidated which is helpful to set the parameters of mechanical structure and study control algorithm about the quadruped robot with spine motion.     

四足机器人腿部运动空间和足端运动轨迹研究

机器人的单腿的运动空间及足端点运动轨迹决定了所设计的机器人的应用范围。为了研究四足步行机器人摆动腿在一定参数条件下的运动空间大小及足端的运动轨迹,通过对机器人摆动腿正运动学方程,足端点轨迹在y、z轴上对时间的函数进行计算,并将计算结果运用MATLAB软件进行仿真,不仅直观地观测到机器人的运动情况,还得到所需的数据,且以图形的形式显示出来,达到了预期目的。     

四足爬行机器人步态分析与运动控制

为了实现液压作动的四足步行机器人的稳定行走,根据运动稳定裕量原则规划四足机器人的直行步态,保证三足支撑机体时稳定裕量为100 mm;针对液压缸运动加速度突变导致机体冲击振动的问题,提出了利用S型曲线作为各自由度的运动位移控制规律的方法。按照JQRI00型四足步行机器人原理样机的结构建立了虚拟样机模型,应用仿真软件对所设计步态进行了仿真,分析了步态的运动学、动力学特征和位移控制方法的运动特征;在四足步行机器人原理样机上进行了试验,并将试验与仿真结果进行了比较。研究结果表明,所设计的机器人步态可行,保证了机器人具有较好的行走稳定性;将S型曲线用于位移控制,消除了液压缸运动加速度的突变,进一步提高了机体运行的平稳性。     

Gait Analysis of Quadruped Robot Using the Equivalent Mechanism Concept Based on Metamorphosis

The previous research regarding the gait planning of quadruped robot focuses on the sequence for lifting o and placing the feet, but neglects the influence of body height. However, body height a ects gait performance significantly, such as in terms of the stride length and stability margin. We herein study the performance of a quadruped robot using the equivalent mechanism concept based on metamorphosis. Assuming the constraints between standing feet and the ground with hinges, the ground, standing legs and robot body are considered as a parallel mechanism, and each swing leg is regarded as a typical serial manipulator. The equivalent mechanism varies while the robot moves on the ground. One gait cycle is divided into several periods, including step forward stages and switching stages. There exists a specific equivalent mechanism corresponding to each gait period. The robot's locomotion can be regarded as the motion of these series of equivalent mechanisms. The kinematics model and simplified model of the equivalent mechanism is established. A new definition of the multilegged robot stability margin, based on friction coe cient, is presented to evaluate the robot stability. The stable workspaces of the equivalent mechanism in the step forward stage of trotting gait under di erent friction coe cients are analyzed. The stride length of the robots is presented by analyzing the relationship between the stable workspaces of the equivalent mechanisms of two adjacent step forward stages in one gait cycle. The simulation results show that the stride length is larger with increasing friction coe cient. We herein propose a new method based on metamorphosis, and an equivalent mechanism to analyze the stability margin and stable workspace of the multilegged robot.     

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

针对串联四足机器人行走惯量大,自重/载重比大的问题,提出一种新型串并混联四足步行机器人,并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成,每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成,其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态,基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解,利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性;基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵,分析了其奇异性,并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明:该腿在髋关节连杆直径d=22mm,大腿杆件直径D=50mm,膝关节转角θ4∈[105°,155°]时,工作空间呈球冠形,最大内接圆半径R=400mm,高度为H∈[500mm,900mm]。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。     

基于凸轮控制驱动式的四足机器人行走机构设计与理论分析

针对当前四足机器人纯机械式驱动行走机构研究的不足,设计了一种凸轮控制驱动式的行走机构,该机构包括腿机构和凸轮控制驱动机构两部分。提出了腿结构的设计要求及四足机器人的总体机械结构。根据腿机构的设计要求,设计了一种3自由度的腿机构,并对3个控制参数作了理论求解。在此基础上,设计了凸轮控制驱动机构,包括髋关节凸轮机构、主凸轮机构和膝关节凸轮机构。