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。     

类人猿型机器人前向四足步行的研究

类人猿机器人是一种具有多种移动方式的新型机器人。同常规的四足步行机器人相比,该机器人的结构具有特殊性和复杂性。为了实现拥有这种结构机器人的前向四足步行,我们提出了新的步态、轨迹规划、稳定平衡判据。仿真和实验结果证实了这些分析的合理性。     

基于计算机辅助几何法的多足步行机器人运动学分析系统

提出了基于计算机辅助几何法的多足步行机器人运动学分析方法。基于多足步行机器人内部的结构约束关系,建立了典型结构机器人的SolidWorks模型,利用VB驱动对SolidWorks进行二次开发,建立了一个能够自动求解多足步行机器人爬行步态的正运动学求解系统。该系统操作简单,适用于所有爬行类多足步行机器人。     

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。     

四足步行机器人的运动和结构设计

步行机器人性能优劣在很大程度上取决于步行机器人的结构。由于步行机器人研究的出发点是模仿动物的步行,所以在步行机器人运动和结构设计时,必须考虑机构运动灵活性、重量、能耗及稳定性等问题。 本文,结合四足步行机器人研究课题,探讨了步行机器人运动和结构设计方面的一些主要问题,着重对步行机器人腿、足的结构。转弯机构和传动机构等几方面,提出了设计方法和选择原则。     

用于物体捕捉的四足步行机器人的运动误差模型

开发具有手脚融合功能的四足步行机器人可以加快四足机器人实际运用。介绍了一种具有手脚融合功能的新型四足步行机器人的结构。在机器人的机体上,安装有图像捕捉系统,用于引导机器人完成对目标物的抓取。描述了机器人抓取状态下的运动关系,建立了用于物体捕捉的四足步行机器人的运动误差模型。在对抓取状态逆运动学分析的基础上,讨论了图像捕捉系统误差与机器人的工作臂参数误差之间的关系。给出了详细的计算公式。并以一个实例说明了分析过程。该模型可用于机器人抓取状态下的运动控制与误差补偿。     

并联腿机构在四足/两足可重组步行机器人中的应用

将并联腿机构用于助残步行机器人,可大大提高步行机器人的载重/自重比,从而节省能源,延长行走时间。为此提出并联腿机构四足步行机器人。四足稳定性好,安全性高,但是上下楼梯或台阶时座椅有较大的倾斜。为了解决这一问题,提出一种四足/两足可重组并联腿机构步行机器人。在一般路面采用四足行走,消除使用者乘坐两足步行机器人时的恐惧心理;在上下楼梯或台阶时采用两足行走,弥补四足步行机器人行走时产生的身体倾斜。提出四足/两足可重组步行机器人机构上的实现方法,分析3自由度3-UPU并联机构,以及其两两合并后的6-SPU并联机构,讨论它们在四足/两足可重组并联腿步行机器人中的应用,通过自由度计算进行四足/两足步行机器人的可动性分析,为四足/两足可重组并联腿机构步行机器人的进一步研究奠定了理论基础。     

凸轮连杆组合机构驱动的四足仿生马机器人运动学建模与分析

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。在论述该仿生马机器人结构与工作原理的基础上,进行了机器人的运动学建模与分析。利用环路矢量法建立各机构运动学方程,利用牛顿迭代法对非线性位移方程进行了求解。采用Matlab开发了求解机器人行走腿位移、速度、加速度运动的统一程序。通过实例计算,对采用电机等速驱动机器人产生的行走腿端点位移、加速度特性进行了分析。为后续优化机器人性能奠定了基础。     

一种重心调整装置在四足机器人步行中的应用

为实现四足机器人稳定行走,分析了重心与稳定域的关系对机器人稳定步行的影响,研制了一种重心调整装置并应用于四足仿生机器人步行中。以静态步行为例,规划了机器人及其重心调整装置的运动方式,运用SolidWorks分别对机器人和重心调整装置进行了建模,并通过ADAMS对建立的模型进行了仿真分析。仿真结果表明该装置的应用能有效调节四足仿生机器人重心位置,实现了机器人的稳定步行。     

一种重心调整装置在四足机器人步行中的应用

为实现四足机器人稳定行走,分析了重心与稳定域的关系对机器人稳定步行的影响,研制了一种重心调整装置并应用于四足仿生机器人步行中.以静态步行为例,规划了机器人及其重心调整装置的运动方式,运用SolidWorks分别对机器人和重心调整装置进行了建模,并通过ADAMS对建立的模型进行了仿真分析.仿真结果表明该装置的应用能有效调节四足仿生机器人重心位置,实现了机器人的稳定步行.     

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.     

一种新型四足变胞爬行机器人的步态规划研究

随着移动机器人在探测救援中的应用逐渐增多,活动灵巧、环境适应能力强的多足机器人越来越受到国内外学者的关注。介绍一种腰部可以活动的四足机器人的设计及其步态生成,并展示了活动腰部可提升机器人对极端环境的适应性。提出三个基本假设以简化机构模型,提出腰部构态变换规则,并用几何方法说明了腰部构型变化可扩大机器人腿部活动空间,从而提升对复杂环境的适应性。另外,腰部运动与步态融合,生成了两种新的基本步态——扭腰直行步态和原地旋转步态。基于提出的两种步态,对比了固定腰部与可动腰部条件下运动稳定裕度的变化,分别计算了狭窄弯道通过条件,并分析了所设计步态对头部视觉的影响,从而证明所设计机器人具有较高的极端环境适应能力。     

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...     

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。     

Energy Expenditure of Trotting Gait Under Different Gait Parameters

Robots driven by batteries are clean, quiet, and can work indoors or in space. However, the battery endurance is a great problem. A new gait parameter design energy saving strategy to extend the working hours of the quadruped robot is proposed. A dynamic model of the robot is established to estimate and analyze the energy expenditures during trotting. Given a trotting speed, optimal stride frequency and stride length can minimize the energy expenditure. However, the relationship between the speed and the optimal gait parameters is nonlinear, which is difficult for practical application. Therefore, a simplified gait parameter design method for energy saving is proposed. A critical trotting speed of the quadruped robot is found and can be used to decide the gait parameters. When the robot is travelling lower than this speed, it is better to keep a constant stride length and change the cycle period. When the robot is travelling higher than this speed, it is better to keep a constant cycle period and change the stride length. Simulations and experiments on the quadruped robot show that by using the proposed gait parameter design approach, the energy expenditure can be reduced by about 54% compared with the 100 mm stride length under 500 mm/s speed. In general, an energy expenditure model based on the gait parameter of the quadruped robot is built and the trotting gait parameters design approach for energy saving is proposed.     

NOVEL FORMULATION OF STATIC STABILITY FOR A WALKING QUADRUPED ROBOT

By defining the static stable area for foot placement, a new approach to analysis of quadruped robot stability is presented. Unlike conventionally, the method avoids solving complicated direct kinematics of quadruped robot and shows the information on the robot stability and the selection of swing leg. Especially, the proposed algorithm can be used as real-time operation for on-line gait generation and control for quadruped robots. The effectiveness of the proposed approach is shown through a practical crawling experiment of the quadruped robot TITAN-VIII.     

适应不同重力环境的仿壁虎机器人运动仿真

针对不同重力环境下仿壁虎机器人的运动稳定性、运动高效协调性等问题,基于四足机器人的步态规划现状和仿壁虎机器人自身特定的机械结构,设计了仿壁虎机器人在g、0、-g 3种环境下的足端轨迹和运动步态。在ADAMS仿真软件中研究了机器人的运动学和动力学特性,得到了仿壁虎机器人稳定爬行与脚掌黏附力、足端轨迹和运动步态的关系。探讨了仿真结果的合理性和局限性,为仿壁虎机器人在实际环境中的稳定运动奠定了理论基础。     

基于稳定阈度分析的外骨骼动态步长规划方法

在医疗领域,康复外骨骼机器人能够帮助下肢瘫痪的患者重新行走,因此得到广泛的关注。由于下肢截瘫患者身体的特殊性,针对该类患者使用的外骨骼机器人大多使用拐杖作为平衡辅助工具。在固定步长的情况下,不同的拐杖支撑点位置,会很大程度影响步行稳定阈度。通过分析穿戴者拄拐步态所形成的多边形支撑面,利用零力矩点(ZMP)理论计算相应的压力中心位置,从而得到四足步态的稳定阈度表达式;并在此基础上提出动态调整步长的方法,得到拐杖支撑点与步长的拟合曲面,对步长进行实时、适当调整;最后通过外骨骼机器人的运动学模型,规划相应的步态轨迹。通过在课题组自主研发的外骨骼机器人样机上进行大量对比实验,证明了在每个步态周期中,针对不同的拐杖支撑位置,提出的方法可以有效增加系统步态的稳定阈度,降低拐杖支撑点的随机性对系统稳定性的影响。     

Energy efficiency analysis of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory

Quadruped robots consume a lot of energy, which is one of the factors restricting their application. Energy efficiency is one of the key evaluating indicators for walking robots. The relationship between energy and elastic elements of walking robots have been studied, but different walking gait patterns and contact status have important influences on locomotion energy efficiency, and the energy efficiency considering the foot-end trajectory has not been reported. Therefore, the energy consumption and energy efficiency of quadruped robot with trot gait and combined cycloid foot trajectory are studied. The forward and inverse kinematics of quadruped robot is derived. The combined cycloid function is proposed to generate horizontal and vertical foot trajectory respectively, which can ensure the acceleration curve of the foot-end smoother and more successive, and reduce the contact force between feet and environment. Because of the variable topology mechanism characteristic of quadruped robot, the leg state is divided into three different phases which are swing phase, transition phase and stance phase during one trot gait cycle. The non-continuous variable constraint between feet and environment of quadruped robot is studied. The dynamic model of quadruped robot is derived considering the variable topology mechanism characteristic, the periodic contact and elastic elements of the robot. The total energy consumption of walking robot during one gait cycle is analyzed based on the dynamic model. The specific resistance is used to evaluate energy efficiency of quadruped robot. The calculation results show the relationships between specific resistance and gait parameters, which can be used to determine the reasonable gait parameters.