足式机器人腿部零动力元机构设计及运动学分析

为降低足式机器人腿部质量,提高机器人动力学特性,同时避免电机的频繁往复运转,基于4杆机构的运动传递原理,设计了一种足式机器人腿部机构,将大腿小腿的驱动电机布置于机器人腹部,实现了腿部零动力单元化。基于D-H法,推导了腿部机构的运动学模型,利用Matlab进行了运动学数值求解,通过与ADAMS虚拟样机仿真结果的对比,验证了理论推导的正确性。基于运动学模型,通过计算对比分析4杆机构各构件不同杆长条件下,腿部关节的运动学响应关系,并对足端轨迹进行了对比分析,确定了腿部机构杆长的最佳尺寸。研究表明：将曲柄摇杆机构应用于足式机器人腿部机构的驱动,可充分发挥4杆机构的运动优势,同时避免急回特性对构件运动产生的不利影响,从而提高机器人的行走效率,为后续实验样机的设计与搭建提供了参考。     

基于虚拟样机技术的四足机器人结构设计

四足机器人属仿生机器人,产品设计要经过周而复始的设计-实物试验-再设计过程,才能达到要求的性能。本文采用虚拟样机技术对四足机器人进行结构设计,通过在虚拟样机系统中加入零件的物理信息(如材料种类、密度、关节摩擦,接触力等),在ADAMS环境下,对虚拟的四足机器人进行运动仿真。仿真试验发现机器人膝关节所受冲击力过大,因此改进方案,重新设计腿部结构。改后结构的仿真试验表明:新结构明显的减小了机器人运动中所受的冲击力,体现了虚拟样机技术在四足机器人结构设计与功能模拟一体化,便于提出优良设计方案的优势。     

单自由度四足机器人腿部机构设计与分析

针对四足机器人腿部机构的自由度多导致传动控制复杂,腿部转动惯量大导致运动性能差,关节驱动换向导致冲击能耗大等问题,基于机构综合设计了一种由曲柄摇杆机构、四边形机构复合成的单自由度连杆式机器人腿部结构.采用解析法建立了腿部机构运动学模型,为实现足端迈步运动,规划了足端轨迹,并以足端轨迹运动为优化目标,建立了优化数学模型,运用MATLAB优化得到了腿部机构尺寸.在ADAMS软件中建立了机器人虚拟样机模型,采用对角步态仿真了机器人运动特性,验证了腿部机构设计的可行性.     

绳传动四足爬行机器人的结构设计与仿真分析

设计了一种四足机器人,采用绳传动和"十"字型髋关节相结合的腿部结构,足部采用具有可复位和减震功能的双弹簧结构。采用Creo Parametric和Adams软件联合建立虚拟样机,对机器人整体进行直向爬行步态仿真,结果表明机器人可以按规划的步态稳定行走。对比电机直接驱动四足机器人的仿真结果表明:绳传动机器人具有更好的运动性能。     

新型四足机器人步态仿真与实现

研究一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pro／E和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用AD-AMS仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。     

四足除草机器人的ADAMS与MATLAB联合仿真

为进行非化学田间除草,设计了一种四足除草机器人。对该除草机器人进行虚拟样机建模和动力学仿真,目的是提高四足除草机器人设计的效率与可靠性。在ADAMS中建立四足除草机器人的机械动力学模型,并运用ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真技术对其参数进行控制中的参数整定。通过此方法,可以初步确定四足除草机器人在行走过程中的PID参数及所需要的驱动力。ADAMS和MATLAB/Simulink联合仿真方法面向多领域,仿真结果逼真并且接近实际系统,为四足除草机器人物理样机的研制提供依据,解决了传统设计过程中机械和控制系统不匹配问题。     

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。     

四足机器人机械结构设计与最优腿部配置研究

运动稳定性是机器人研究领域的重点,围绕四足机器人的运动稳定性展开设计研究。首先从仿生学角度出发,根据马腿部的一些特点在SolidWorks中设计四足机器人整机三维结构,使用SolidWorks Simulation的静应力分析部分中的设计洞察模块对所设计的腿部结构进行结构优化;然后,通过ANSYS对四足机器人的腿部结构进行有限元分析,详细了解腿部的受力情况,验证所设计的腿部结构满足受力要求;最后,采用D-H法对四足机器人正、逆运动学分析求解,利用MATLAB计算出足端运动空间,并在ADAMS中进行运动学仿真。仿真结果表明：通过分析机身质心在位移和速度上的变化特点,以及髋关节和膝关节在驱动力矩和关节转角上的变化特点,证明此设计的四足机器人满足运动稳定性的要求,为后期四足机器人物理样机的稳定性实验提供了理论依据。     

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。     

基于虚拟样机技术的六足仿生机器人设计与仿真

运用仿生学原理,在六足昆虫三角步态行走模式的基础上提出一种新的行走模式——四角步态模式,利用虚拟样机技术,构建出六足仿生机器人虚拟样机,并实现了六足仿生机器人的运动仿真。     

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。     

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。     

Design and Analysis of a Multi-Legged Robot with Pitch Adjustive Units

The paper proposes a novel multi-legged robot with pitch adjustive units aiming at obstacle surmounting.With only 6 degrees of freedom,the robot with 16 mechanical legs walks steadily and surmounts the obstacles on the complex terrain.The leg unit with adjustive pitch provides a large workspace and empowers the legs to climb up obstacles in large sizes,which enhances the obstacle surmounting capability.The pitch adjustment in leg unit requires as few independent adjusting actuators as possible.Based on the kinematic analysis of the mechanical leg,the biped and quadruped leg units with adjustive pitch are analyzed and compared.The configuration of the robot is designed to obtain a compact structure and pragmatic performance.The uncertainty of the obstacle size and position in the surmounting process is taken into consideration and the parameters of the adjustments and the feasible strategies for obstacle surmounting are presented.Then the 3D virtual model and the robot prototype are built and the multi-body dynamic simulations and prototype experiments are carried out.The results from the simulations and the experi-ments show that the robot possesses good obstacle surmounting capabilities.     

基于虚拟样机技术的四足机器人步态规划与仿真

建立四足机器人质心与各关节角的关系,利用虚拟样机技术,通过质心轨迹来控制四足机器人的运动。首先,建立四足机器人质心与各关节角的运动学方程;然后,规划四足机器人的质心轨迹;最后,应用ADAMS建立虚拟样机模型,结合MATLAB对预定的质心轨迹进行联合仿真。通过对仿真结果中的机体位移、速度、关节转矩的响应曲线进行分析,并结合静力学仿真结果,对四足机器人的机构设计提出合理的简化方案。     

四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制

结合实际 ,详细地分析了四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系 ,并在此基础上给出了四足步行机器人腿部机构和驱动控制方案。     

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。     

基于虚拟样机技术的4足机器人机构设计

为了研制适应各种路况、并能负荷更大负重的足式机器人,设计了一种以液压驱动的四足机器人机构,确定了机构设计和液压系统的关键参数,其中腿机构设计是关键部分。通过建立数学公式分析了机器人各关节运动所输出的力及力矩,并采用虚拟样机技术对液压驱动4足机器人进行建模和行走仿真,通过测量仿真机器人各关节力及力矩等数据,验证了机构设计参数选取的合理性及所选择的液压系统满足设计要求。