多足机器人规则步态实现方法研究

步态规划在移动机器人运动学研究中具有基础和重要的作用,本文首先对四足机器人的着地点进行设计,并分别对各腿的摆动顺序进行几何规划,利用虚拟样机,对四足机器人的单足轨迹进行设计,使得机体能够维持重心稳定并向前运动;其次,本文构建了四足机器人支撑机构的运动学逆解模型,排除奇异解,基于支撑机构的数学建模与求解对四足机器人的前行运动进行了规划;最后,实验结果表明,规则步态规划方法可实现四足机器人稳定可靠地运动.     

六足步行机器人的步态规划及运动学分析

主要对六足步行机器人进行步态规划和运动学建模,规划了六足步行机器人的直行步态和足端轨迹.基于MATLAB软件建立机器人的逆运动学模型,生成机器人步行时各个驱动关节的变化曲线.通过在六足步行机器人的实验平台上模拟机器人的实际运动状态得到机器人步行时的轨迹曲线,分析了机器人的步行性能,验证了步态规划的可行性和运动学方程的正确性.     

四足步行机器人逆运动学分析

对四足机器人进行了步态规划,并推导出其逆运动学方程,基于MATLAB建立其运动学模型,以末端轨迹作为输入曲线,得到各关节运动变化曲线.然后,将关节运动变化曲线作为机器人虚拟样机的驱动信号,可使机器人按照规划步态进行运动.研究结果验证了理论分析的正确性,为多足步行机器人运动控制分析提供了理论基础.     

封面图片说明

正封面图片来自本期论文"液压四足机器人的自适应模糊PID控制",是自行设计的液压四足机器人Hound的机体结构.Hound机器人的运动结构以猎犬的骨骼系统为仿生参考对象,其腿部共具有12个主动自由度(运动关节)和4个被动自由度,以非对称液压缸驱动腿部关节运动,这些特点保证了该型机器人具有良好的机动性、灵活性和负载能力,可以在复杂的地质环境中执行灾难救援、野外运输等任务.采用外置液压泵源、工控机柜、Windows+RTX实时控制系统、CVI人机交互软件等搭建机器人单腿     

适合航行的六足仿生机器人Spider的研制

研制了一种新型六足仿生机器人Spider,应用于复杂地形环境中的自主步行。设计了具有全方位移动能力的机器人本体结构,并基于灵活度评价函数对结构参数进行了优化;以ARM芯片为主控制器、FPGA芯片为协控制器构建了机器人硬件控制系统;实现了一种基于功能-行为集成的步行控制器,用于生成静态稳定的自由步态。仿真和实验结果验证了六足机器人的崎岖地形全方位自适应步行能力。     

四足机器人Trot步态规划与仿真分析

为了提高四足机器人对角步态的稳定性,缓解对角步态摆动相两条腿不能同时着地的问题,从足端轨迹优化、足端初始位置选择这两方面进行步态规划.通过D-H法建立四足机器人运动学模型,几何法求运动学逆解.基于零冲击原则优化足端轨迹函数,选取8种不同的初始足端位置进行仿真.从足端冲击力、机体位移、俯仰角、滚动角、偏航角的变化等方面分...     

四足仿生机器人的分层实时控制系统

针对山东大学机器人研究中心自主研发的液压驱动四足仿生机器人对控制系统的实时性和稳定性要求,设计实现了具有3层结构的分层式控制系统,包括环境感知层、控制执行层和远程控制层,给出了控制系统总体设计方案。利用基于Socket的网络通信技术及基于管道和线程的进程间通信技术,完成了系统中实时数据通信;采用命名管道技术实现了传感器驱动模块挂载,利用MySql数据库技术实现了系统运行过程中的数据备份。通过挂载激光扫描仪数据采集子进程和Trot步态控制任务实验表明,该分层式控制系统的通信实时性良好。     

气动柔性六足机器人定半径转弯实现方法与稳定性

针对气动柔性关节仿生六足机器人提出基于三角步态和重心轨迹跟踪法的定半径转弯步态规划方法。采用预设机器人步态转角和转弯半径逆向建立转动过程中机器人重心轨迹模型,获得机器人足部的落足点位置,并进行了机器人重心轨迹仿真,研究了重心规划轨迹与理想轨迹的偏离误差。根据静态稳定裕度模型建立了最大步态转角模型,并以此作为判据分析机器人定半径转弯步态规划的稳定性。利用三维运动捕捉系统进行了机器人定点和定半径转弯性能实验,获得了不同步态转角和转弯半径下机器人的转弯性能,验证了转弯步态规划方法的正确性。该机器人动作灵活,可实现任意半径转弯,当规划步态转角小于最大步态转角时机器人转弯过程行进平稳。     

四足机器人跳跃步态控制方法

针对四足机器人的奔跑控制问题,提出一种基于跳跃(Bound)步态的奔跑控制方法,通过腿部的快速小幅度摆动实现四足机器人的Bound步态。使用有限状态机将机器人的一个运动周期分为6个阶段,其中前腿与后腿各3个阶段,触地缓冲阶段采用竖直弹簧阻尼模型,蹬地阶段使用虚拟模型调整腿部对地推力方向,摆动相使用贝赛尔曲线规划足端轨迹。通过在动力学仿真软件中构建与液压驱动四足机器人SCalf-II同尺寸、同质量的虚拟样机对所提出的方法进行仿真验证与测试,结果表明机器人在5个周期后形成了有较强周期性的Bound步态,前进方向速度波动较小,各关节运动范围、速度、力矩均在SCalf-II设计指标之内,从而验证了该方法的正确性和有效性。     

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关（GIS）内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人. 分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题. 对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法. 使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验. 结果表明：机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证. 在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.     

助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真

结合并联腿步行机器人和可重构机器人的优点,设计了一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人,进行了该机器人的构型设计。以四足并联腿步行机器人为研究对象,根据步行机器人整机的结构特征和基本并联腿的运动特征,将整机的运动学问题转化为单个并联腿的运动学问题,建立了机器人整机系统的完整的运动学模型,进行了机器人在爬行步态下的仿真分析,得出了驱动器杆长的仿真曲线。该项研究为四足并联腿步行机器人整机的动力学分析和控制奠定了一定的基础。     

一种仿骆驼足的设计与仿真分析

设计了一种基于仿生学的仿骆驼机械足,可应用于四足步行机器人。首先介绍了四足机器人的总体设计方案;然后根据骆驼足在沙地、软土地行走的功能特点,设计出仿骆驼足运动机构,并对机构进行了运动学分析;运用Solidworks对仿生机构进行建模,并通过Adams和Solidworks对建立的模型进行动力学与静力学仿真。仿真结果表明,仿生机械足可以很好地模拟骆驼足的功能并保证结构安全可靠。     

Novel algorithm of gait planning of hydraulic quadruped robot to avoid foot sliding and reduce impingement

In order to solve kinematic redundancy problems of a hydraulic quadruped walking robot, which include leg dragging, sliding, impingement against the ground, an improved gait planning algorithm for this robot is proposed in this paper. First, the foot trajectory is designated as the improved composite cycloid foot trajectory. Second, the landing angle of each leg of the robot is controlled to satisfy friction cone to improve the stability performance of the robot. Then with the controllable landing angle of quadruped robot and a geometry method, the kinematic equation is derived in this paper. Finally, a gait planning method of quadruped robot is proposed, a dynamic co-simulation is done with ADAMS and MATLAB, and practical experiments are conducted. The validity of the proposed algorithm is confirmed through the co-simulation and experimentation. The results show that the robot can avoid sliding, reduce impingement, and trot stably in trot gait.     

有并联脊柱的四足机器人步态规划

为了增加足式机器人的腿部运动范围和吸收地面冲击力,在刚性躯体四足机器人的基础上,设计3-RPS并联机构作为机器人的脊柱.建立有脊柱四足机器人的运动学模型,得到脊柱关节的周期性与质心位置的关系.在对角步态的基础上,利用脊柱偏航方向的自由度,规划了脊柱扭转对角步态.采用Hopf振荡器,建立耦合中枢模式发生器（CPG）网络输出步态曲线.通过与刚性躯干四足机器人的对比仿真和实验可知,主动脊柱的加入使机器人运行过程中的俯仰波动降低45.79%,矫正了偏航位置. 脊柱关节的周期性转动不会引起质心位置的突变.脊柱波动与肢体摆动间的协调,使得有脊柱四足机器人具有更优的运动性能.     

HT—1关节型四足机器人的计算机分层系统结构

提出HT-1关节型四足机器人的计算机分层系统结构方案。第一层是开发层,用来开发四足机器人步态控制软件以及步态仿真系统;第二层是执行层,用来对四足机器人各关节进行并行控制,使机器人仅在执行层控制下行走。这对四足机器人专用计算机减轻重量,小型化具有重要意义。     

Kinematics Analysis Based on Screw Theory of a Humanoid Robot

A humanoid robot is a complex dynamic system for its idiosyncrasy. This paper aims to provide a mathematical and theoretical foundation for the design of the configuration, kinematics analysis of a novel humanoid robot. It has a simplified configuration and design for entertainment purpose. The design methods, principle and mechanism are discussed. According to the design goals of this research, there are ten degrees of freedom in the two bionic arms. Modularization, concurrent design and extension theory methods were adopted in the configuration study and screw theory was introduced into the analysis of humanoid robot kinematics. Comparisons with other methods show that： 1） only two coordinates need to be established in the kinematics analysis of humanoid robot based on screw theory; 2） the spatial manipulator Jacobian obtained by using twist and exponential product formula is succinct and legible; 3） adopting screw theory to resolve the humanoid robot arms kinematics question can avoid singularities; 4） using screw theory can solve the question of specification insufficiency.     

Simulation Platform of Underwater Quadruped Walking Robot Based on MotionGenesis Kane 5.3 and Central Pattern Generator

It will still in lack of a simulation platform used to learn the walking of underwater quadruped walking robot. In order to alleviate this shortage,a simulation platform for the underwater quadruped walking robot based on Kane dynamic model and CPG-based controller is constructed. The Kane dynamic model of the underwater quadruped walking robot is processed with a commercial package MotionGenesis Kane 5. 3. The forces between the feet and ground are represented as a spring and damper. The relation between coefficients of spring and damper and stability of underwater quadruped walking robot in the stationary state is studied. The CPG-based controller consisted of Central Pattern Generator（ CPG） and PD controller is presented,which can be used to control walking of the underwater quadruped walking robot. The relation between CPG parameters and walking speed of underwater quadruped walking robot is investigated. The relation between coefficients of spring and damper and walking speed of underwater quadruped walking robot is studied. The results show that the simulation platform can imitate the stable walking of the underwater quadruped walking robot.     

Continuous and smooth gait transition in a quadruped robot based on CPG

To improve the smoothness of motion control in a quadruped robot, a continuous and smooth gait transition method based on central pattern generator (CPG) was presented to solve the unsmooth or failed problem which may result in phase-locked or sharp point with direct replacement of the gait matrix. Through improving conventional weight matrix, a CPG network and a MATLAB/Simulink model were constructed based on the Hopf oscillator for gait generation and transition in the quadruped robot. A co-simulation was performed using ADAMS/MATLAB for the gait transition between walk and trot to verify the correctness and effectiveness of the proposed CPG gait generation and transition algorithms. Related methods and conclusions can technically support the motion control technology of the quadruped robot.