一种仿生四足机器人的腿部结构设计及其轨迹规划

为了提高四足机器人的行走稳定性,在对"马腿"进行仿生分析的基础上,设计了一种四足机器人的新型腿部仿生结构,并基于该机器人的单腿运动学模型,利用复合摆线法对其足端轨迹进行了规划;通过分析足端位移、速度、加速度的变化特点,证明满足该机器人行走稳定性的要求,为后期机器人物理样机的稳定性实验提供了理论依据。     

一种新型的空间仿生机械腿的机构设计与研究

调查目前仿生机器人的研究现状,提出一种空间仿生机构和可变形腿运动机构。该机构具有运动灵活、自由度少、适应性强的特点。利用D-H矩阵分析法和直角坐标分析法对该机构的基本运动单元的运动学进行了理论分析,并给出了运动方程。利用SolidWorks三维造型软件进行了机构的三维建模与干涉检查,利用ADAMS软件建立了这种新型的仿生机器人的虚拟样机,进行了基本运动单元的运动学仿真。根据机构的位移矩阵变换原理,进行了轨迹的对比分析,提出可变形腿机构。     

凸轮连杆组合机构驱动的四足仿生马机器人运动仿真研究

提出了一种仿生马构型的四足步行机器人,以用于马术辅助治疗。其单腿系统利用凸轮连杆组合机构驱动,具有两个驱动自由度,能够实现足端轨迹跨距与高度的调整。论述了凸轮连杆组合机构驱动的仿生马机器人结构与工作原理,开展了机器人的运动仿真研究。利用Solid Works软件建立机器人模型,并导入到Adams软件中进行动力学仿真分析。通过运动规划给定电机驱动函数,实现了仿生马机器人的行走运动。进一步分析得到了机器人在抬腿和落地运动过程中,足端与地面之间的接触力变化规律及相应的运动轨迹变化趋势。针对仿生马机器人运动仿真中整体出现的跳动现象,提出了采用电机变驱动规律以改良跳动的措施。研究结果为该类机器人参数的优化设计及实用化提供了理论支持。     

基于足端轨迹的仿生四足机器人运动学分析与步态规划

设计了一种电驱动四足仿生机器人,构造了具有主被动自由度、基于电动缸驱动的机器人腿部关节结构。对机器人进行运动学建模,并借助其运动学模型进行机器人正逆运动学计算,求解出了机器人腿部各个关节的转角函数。针对四足机器人的行走特点,提出一种四足机器人步态规划方法。经过对机构几何关系的分析计算,得到腿部各个关节电动缸位移量驱动函数。仿真实验结果表明,四足机器人在该种算法下可实现连续平稳的行走,初步验证了所提轨迹规划方法、步态及机构设计的合理性和有效性。     

一种仿水黾新型水上行走机器人的研究

水黾是一种可以在水面上行走的昆虫,基于水黾水面行走原理,提出了一种新型的仿生水上行走机器人,该机器人利用电磁铁驱动,基于曲柄滑块机构及并联原理设计了机器人单腿驱动机构,驱动机器人的划动腿在水面中形成椭圆形的划水轨迹.并模拟仿生原型水黾结构,采用6条腿结构方式设计了水上行走机器人整体机构.基于虚拟样机技术对驱动机构、水上行走机器人整体机构进行了建模和运动仿真,验证了机构设计的合理性和功能实现的正确性.在实验室环境下,基于水上行走机器人工作环境的特殊性,设计和制作出了水上行走机器人样机.     

一种仿生四足机器人腿部机构的运动学分析与验证

提出了一种用于仿生四足机器人的新型串并混联腿部机构。首先介绍了四足机器人的结构组成,然后基于矢量分析法推导了该串并混联腿部机构的运动学正解与反解方程,并采用蒙特卡洛法求解了机器人腿部机构的工作空间,求出腿机构的速度雅克比矩阵。最后引入基于零冲击原则的足端轨迹,采用Adams软件对机器人单腿模型进行了虚拟样机仿真。仿真结果表明：各驱动电缸的速度变化曲线与理论计算结果一致,误差在±1×10-3m/s范围内,验证了机器人运动学模型的正确性,间接验证了机器人位置方程和工作空间求解的正确性,为腿部机构的静力学分析和动力学分析及整机结构优化奠定了基础。     

基于降维解法的具有脊柱的四足仿生机器人正运动学分析

为了利用机体变化与腿结构运动的协调,提升仿生机器人的跳越及越障能力,介绍了一种具有脊柱的新型四足仿生机器人构型。对该类机器人的正运动学问题进行了详细研究。根据机器人结构的约束,建立了包含所有驱动角度的运动方程组。针对运动方程组中包含冗余驱动角度,而求解冗余驱动角度十分困难的问题,采用了一种降维解法。该降维解法通过将运动方程组的一个方程转为约束方程,对运动方程组的其余方程采用迭代运算以求满足约束的解,可以有效地求出冗余驱动角。在此基础上,对具有脊柱的新型四足仿生机器人的质心位姿进行求解分析。相关算例的验证说明,此项研究有利于加快该类机器人的实用进程。     

基于螺旋理论的高速并联机器人动力学分析

为提高机器人在高速运动过程中的精度和稳定性,研究了4-DOF的Delta高速并联机器人动力学方程的建模方法.采用几何法求解机器人逆运动学方程,结合旋量理论的Kane方法建立了机器人的动力学方程.采用Matlab编程对运动学和动力学模型进行求解,绘制了各个驱动臂的位移、速度、加速度以及力矩曲线.在Simscape中建立Delta机器人的动力学控制系统,以力矩为输入,得到驱动臂位移曲线.对比计算和仿真结果,验证了动力学方程的正确性.     

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。     

基于VBA和CAD的仿生蚂蚁工作空间分析

在对六足仿生蚂蚁的结构和运动原理分析的基础上,将每条腿3个自由度的关节式机构与昆虫式腿布置形式相结合,采用3条腿行走支撑;利用VBA和AutoCAD软件平台成功开发出可以求解最多有6条腿3个关节的仿生机器人工作空间系统;通过构建仿生蚂蚁实体结构,以实例形式分析验证了仿生机器人工作空间求解软件的正确性,为优化仿生蚂蚁乃至其他多足机器人结构提供良好的工具.     

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。     

一种四足马机器人的结构模型及其步行控制

参照马的生理结构,对四足马机器人的一种结构及其步行控制方法进行了研究。为验证该方法的有效性,首先,根据仿生原理设计出具有12个运动关节和4个球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,基于提出的结构模型,设计并实现了四足马机器人行走步态和对角小跑步态,并对步行稳定性进行了分析。步行实验表明,所提出的四足马机器人仿生结构及两种步态的实现方法具有可行性。     

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.     

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。     

仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学

提出了仿袋鼠跳跃机器人机构模型及运动学研究的方法。基于对袋鼠的运动结构及录像资料的研究,提出了仿袋鼠机器人单腿四杆跳跃机构的分析模型,采用D-H法,建立了机器人着地与腾空两个阶段的运动学方程, 进行了正运动学研究,给出了机器人在跳跃过程中的运动位姿及躯干质心的运动轨迹表达式,并利用雅可比矩阵建立了机器人躯干质心与关节之间的微分运动关系及速度分析方法。采用Matlab编程,结合实例对机器人进行了运动仿真运算,对结果进行了分析讨论,解释了袋鼠跳跃运动跃远度大而耗能低和运动稳健的运动机理。研究结果与录像观察和生物学实测研究结果相吻合,从而证明了这一仿生跳跃机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性。     

仿生四足机器人的设计与实现

通过总结四足动物的行走方式设计了仿生四足机器人,运用DH方法分析其机构得出了Ja-cobi矩阵和运动学原理,为其设计了连续性对角小跑步态,并把添加了约束的三维实体模型导入到运动分析软件ADAMS中进行验证,通过分析运动之后质心的位移,关节的转矩,验证了步态规划的合理性及所选电机均符合要求。     

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。     

基于地面反力检测的四足马机器人适应步行法

为适应国内外对四足马机器人进行的广泛研究,根据四足马机器人的结构模型和步行稳定性分析,对其适应步行法进行了研究。首先,介绍了具有12个运动关节和球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,在分析步行稳定性和检测地面反力的基础上,提出了一种四足马机器人适应步行的实现方法;最后,通过自制的小型四足马机器人进行了适应步行实验。实验结果表明,所提出的四足马机器人适应步行法具有可行性。     

用于抗洪打桩的四足机器人结构设计

为解决抗洪抢险打桩中机构进入现场的问题,建立了一种四足机器人的结构设计方案。对四足机器人的结构进行了分析,建立了机架、腿、关节以及足的4部分组成结构,该机器人单腿采用三关节三自由度结构,机架与胯部、胯部与上臂、上臂与下臂分别采用3个转动副连接,并在结构设计的基础上对JQR100四足机器人进行了驱动方式设计以及逆运动学分析,为步态规划和运动学分析打下了基础。研究结果表明,JQR100四足机器人足底能够达到一定范围空间内的任意位置,机器人能够满足抗洪抢险进入现场和进行自由运动的要求。     

仿生机器蟹步行腿结构设计及运动学、动力学分析

仿生机器蟹是一种采用微型直流伺服电机驱动的仿生步行机器人，本文详细介绍了机器蟹步行腿设计及其运动学分析、动力学分析。在对仿生机器蟹运动学特性分析的基础上得出优化结构参数，并应用于实际系统设计。同时利用先进的动力学仿真软件建立了仿生机器蟹三维仿真模型，仿真结果验证了运动学和动力学数学建模的正确性，及结构设计的可行性。