一种水陆两栖机器人的两移两转串并混联腿机构

为了适应水陆两栖机器人的复杂工作环境,提出一种同时拥有直线驱动和转动驱动的串并混联四足步行机器人。将串并混联机器人腿部机构简化为2UPU-UPR并联机构,并运用螺旋理论分析该并联机构的自由度特性,Y方向的位置和Z方向的姿态是影响机构运动的两个独立变量。推导出了2UPU-UPR并联机构的运动学反解及其速度雅克比矩阵,并根据速度雅克比矩阵分析了该机构的三类运动学奇异位形,2UPU-UPR并联机构没有运动学反解奇异,但是存在四种运动学正解奇异和两种混合奇异。通过对该机构组成的四足机器人进行直行步态规划,验证了机器人的运动稳定性;对一简单实例进行了单腿机构运动学仿真,分析其输入输出变化关系。研究结果可为机构的进一步动力学分析与应用提供理论基础。     

基于闭环矢量法的六足机器人关节位姿研究

设计出了一种新型的三自由度缩放式的并联机构,并把该机构作为六足步行机器人的腿机构.采用闭环矢量法求解腿机构运动位置的正运动学问题,用MATLAB软件编写函数来求解腿机构的最大腿行程和最大抬跨高度/研究表明,原动件较小的位移可以获得较大的足端运动空间.     

新型四足步行机器人串并混联腿的轨迹规划与仿真研究

为了提高四足机器人的载重自重比,综合了一种新型串并混联四足步行机器人,并针对其运动过程的冲击问题,使用了一种基于高次多项式的零冲击足端轨迹规划算法.该机器人每条腿均是由3-RRR并联机构串联一个转动机构组成.此机构利用D-H的方法建立坐标系,利用足端轨迹规划算法在世界坐标系对串并混联腿的摆动相进行足端轨迹规划,支撑相利用匀速直线运动进行规划.根据反解模型,计算出足端在髋关节全局坐标系下的足端轨迹.然后,基于混联腿的运动学逆解用Matlab编程计算得出串并混联腿的四个驱动函数.最后,把单腿模型导入到ADAMS中,添加约束、驱动后,利用ADAMS对串并混联腿进行运动仿真.结果显示,该混联腿的足端实现了零冲击规划的目标,且足端轨迹的速度、加速度平滑.由此表明仿真结果与理论结果相符,验证了该算法的合理性和有效性,为进一步研究四足机器人的步态规划和运动控制奠定了基础.     

具有半球形足端的六足机器人步态修正算法

针对六足机器人步行时由于半球形足端滚动影响造成的机器人躯体轨迹偏差问题,提出一种步态修正算法.指出大半径半球形结构作为六足机器人的足端设计方案所具备的优势及其在支撑相中存在的足端滚动问题.通过提出理想立足点的概念,对三维空间内机器人单腿运动学模型进行修正,对理想立足点与实际立足点之间的偏差量进行分析,建立全方位步行时理想立足点与单腿各关节转角之间的运动学正/逆解关系.通过仿真对比分析修正前后单腿根关节运动轨迹,验证修正算法的有效性.实验结果表明,修正算法既能够更好地避免足端与地面产生相对滑动从而显著改善机器人步行时的方向偏离问题,又能够在一定程度上降低系统能耗.     

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。     

基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人轨迹规划与步态分析

本文提出一种基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人.用改进复合曲线法规划了机械腿足端行走点轨迹.在四足步行机器人的足端行走点沿前进方向的加速度曲线为正弦函数,沿竖直方向的加速度曲线为分段函数的情形下,通过对前进方向、竖直方向加速度曲线两次积分得到足端轨迹曲线.由足端轨迹曲线变化规律可以得到其运动过程无突变点,足端可以实现无冲击抬腿与着地.仿真实验表明足端速度与加速度曲线与理论曲线一致,验证了理论计算的正确性.使用ZMP方法,通过对比分析机器人在运动过程中的重心调整量以及稳定裕度值得到最优步态.该四足步行机器人具有运动平稳且灵活的特性,适用于田垄等崎岖路面上需要大的移动步幅来运输重物的应用场合.     

液压驱动六足机器人步行腿性能

针对所设计的一种基于液压驱动的六足机器人步行腿,建立了腿部运动学模型并分析了其足端运动空间。构建了腿部性能测试系统,设计了性能测试台控制系统硬件,并开发了运动测试软件。试验结果表明:腿部单关节的运动跟踪误差和关节协调运动跟踪误差均小于1°,关节动态特性满足频率0.5Hz时幅值衰减小于-3dB,验证了步行腿性能能够满足六足机器人的运动需求。     

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.     

三肢体机器人运动分析及规划

针对一种腿臂机构功能融合设计的三肢体机器人,将其肢体操作模式作为移动模式下的特殊状态进行分析,将机器人整体的运动学分析分解为各肢体分别作为站立腿和摆动腿的运动学组合问题,实现了机器人2种工作模式运动学模型的统一,并分别进行了规划. 通过机器人步态运动仿真验证了理论分析的正确性,为机器人控制器的设计提供了理论基础.     

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.     

液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

论文主要介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境,具有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／马的生物仿生,构造了具有被动结构、基于液压驱动的四足机器人腿关节结构,满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型,规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

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.     

Multi-objective optimization design for leg mechanism of hydraulic-actuated quadruped robot

In order to improve the robot’s abilities of bearing heavy burdens and transporting in complex terrains,the multi-objective optimization design for leg mechanism of the quadruped robot with hydraulic actuated is studied in this paper. The kinematics and dynamics of the robot are analyzed and the two-dimensional linear inverted pendulum model is adopted in planning the trajectories of joints. Then the mathematical model of valve-controlled asymmetric cylinder and control model of single leg are proposed respectively. In the end,NSGA-II algorithm is used to achieve the multi-objective optimization design of parameters concerning single leg mechanism and PD torque control. The results prove that the optimized leg mechanism can significantly reduce the required maximum power of hydraulic system,thus decrease its own weight and lead to the obtaining of good dynamic performance.     

基于Bezier曲线的四足机器人Trot步态优化

为实现四足机器人的稳定行走,需要对其足端轨迹进行合理规划。首先,以Bezier曲线为基础,规划四足机器人的足端轨迹,并依据足端轨迹约束条件对足端轨迹进行优化;其次,通过多组对比实验确定出最优的一组控制点坐标,设计四足机器人的足端轨迹,并找到最佳的步长和抬腿高度组合;最后,基于Matlab/Simulink搭建仿真平台进行仿真实验,与应用复合摆线规划的足端轨迹在足端落地时的冲击力、质心的波动范围、机体的偏航距离、前进距离4个方面进行比较,分析四足机器人的稳定性。仿真结果表明：采用Bezier曲线规划的足端轨迹,提高了机器人运动的稳定性。     

气动柔性关节六足机器人腿关节提升机构设计与仿真

针对气动柔性关机六足机器人腿部关节提升高度小,越障能力差的问题,设计了一种基于平行四杆机构的腿关节提升机构。搭建了运动学实验平台,并对样机进行运动学实验研究。实验结果表明：该提升机构能够有效的将腿部关节提升高度增加19mm,使机器人越障能力扩大为原来的1.63倍,为气动柔性关节六足机器人的研究奠定了基础。     

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.     

四足宠物机器狗动态步行规划与仿真

以四足宠物机器狗爱赛比为研究对象,分析机器狗步行机构组成,建立关节结构模型,根据仿生学原理对四足机器狗的对角线一致的步态运动进行了分析与规划,利用Matlab对步态规划进行了仿真并采用关节控制器验证了对角线一致的步态运动分析与规划的正确性。步态规划为四足机器人实现高速行走提供了一种可行的方法。