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.     

四足机器人单自由度腿部优化设计及仿真

基于仿生原理的四足机器人是当今国内外众多学者研究的热点。针对四足机器人运动平稳性的要求,提出了一种竖直方向改进型等速运动规律和前进方向仿生运动规律相结合的无冲击足端轨迹形式,推导出分段函数表达式;针对四足机器人存在的驱动多、腿部刚度弱的情况,构思了一种由两个曲柄摇杆机构、同步带传动和一对外啮合圆柱齿轮传动组成的单自由度的新型腿部机构,并建立该机构的运动学模型,推导了其足端的坐标;综合利用遗传算法和非线性优化一般方法,以无冲击的足端轨迹的逼近度为目标,优化计算了机构各构件的最佳运动尺寸和初始位置;使用三维建模软件搭建简化的虚拟样机模型,并导入到Adams软件中进行了Trot步态仿真试验,运动效果达到了预期设计。所提出的无冲击轨迹可以为其他足式机器人的足端轨迹规划提供参考,由两个曲柄摇杆机构组成的多连杆腿部机构优化设计方法为足式机器人腿部设计提供了基础和创新思路。     

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。     

少驱动六足机器人结构设计与轨迹优化

设计了一种具有良好稳定性和越障能力的少驱动六足机器人。对少驱动六足机器人的整体结构以及行走步态进行了分析,在此基础上建立了机器人足端点轨迹方程,得到了机器人行走和越障时足端点的运动要求。以六足机器人运动平稳性为目标函数,综合考虑杆长条件、传动性能、几何结构、越障条件和边界条件五类约束,建立了机器人足端轨迹优化模型。利用MATLAB优化工具箱的约束非线性函数fmincon对影响少驱动六足机器人足端轨迹曲线的参数进行优化,得到了满足运动特性要求的机器人腿部机构尺寸。通过对优化后得到的足端轨迹的分析,证明了少驱动六足机器人腿部机构的合理性,为后续六足机器人的研究与开发奠定了基础。     

一种新型可调整闭链多足机器人的设计与分析

针对单自由度闭链腿部机构足端轨迹单一导致机器人的地面适应性不足，提出一种新型可调整闭链腿部机构。以Klann六杆机构为构型基础，增加一个使其机架铰链转动的自由度，实现了铰链位置的调整。用此方法获得足端轨迹的连续性变化，从而可在纵向上提高抬腿高度以增强越障能力，同时可在横向上改变跨步距以实现逼近目标点的规划，并且还可通过切地角度的调节降低爬坡过渡段的足端冲击。此种腿部机构在行走时由一个电动机驱动，可维持其单自由度特性，在少驱动数目、高结构刚度以及大承载能力方面具有性能优势。进行腿部机构的构型设计、运动学分析以及以最大抬腿高度为目标的参数优化。在此基础上构建八足机器人，建立足端轨迹簇并进行轨迹的参数分析，开展行走策略的研究。制作一台样机，针对典型地面环境开展适应性试验，验证了设计的可行性。     

面向农情信息采集的小型四足柔性机器人设计

与大型农业设备相比,采用足式机器人进行农情信息采集可以缓解土壤机械压实问题。为了提高足式机器人运动速度,降低运动能耗,提出一种新型的小型柔性四足机器人结构,在机构设计时采用三段式两自由度腿部结构、远程绳索驱动式膝关节并增加弹簧蓄能装置,推导机器人支撑相的足端轨迹曲线斜率与机器人推进力的关系,提出一种斜线式足端轨迹曲线,仿真及样机试验结果验证了所提轨迹曲线的有效性。     

可越障多足机器人机构设计与仿真分析

设计了一种可越障多足机器人,该机器人具有移动速度快,越障能力强等特点.腿部机构设计是影响多足机器人运动特性的重要因素之一,采用曲柄摇块机构原理设计了一种新型的多足机器人腿部机构.为了保证机器人移动过程中重心不发生变化,运用Matlab软件对踏片的踏面曲线进行设计,并分析了腿部机构不同尺寸参数对踏面曲线、单个踏片与地面接触点水平方向运动速度和加速度的影响规律.同时,设计了多足机器人的辅助爬升机构,并分析了多足机器人翻越障碍物的工作流程.最后,通过虚拟样机运动仿真以及实物样机试验验证了可越障多足机器人机构设计的可行性.     

基于曲柄摇杆机构的新型六足爬行机器人的设计

六足爬行机器人在理论上可以实现向前向后稳定行走.对驱动足采用了曲柄摇杆机构,将腿放在四杆机构的摇杆上,实现了腿前后摇摆行走.此外,由于是通过连杆曲线图谱选择腿部运动轨迹,从连杆曲线图谱上可以看到,整条曲线都是很平滑的,因此,机器人在行走过程中也会非常稳定,而不至于出现冲击载荷.对六足机器人的行进机构、运动设计与分析、机器人的运动轨迹和六足机器人的控制系统进行了详细阐述.     

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。     

液压驱动六足机器人一种低冲击运动规划方法

足地接触冲击对大尺度重载足式机器人的运动性能影响显著。针对液压驱动六足机器人,以低冲击平顺运动为目标,提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规划方法。基于仿生构型和运动学模型推导腿部关节的角度函数,根据液压缸铰点布置和腿部机构几何关系推导出各液压缸活塞杆的位置控制函数,分析表明关节和液压缸运动平稳,速度、加速度无突变。基于Vortex搭建机器人仿真平台,采用该方法实现了步行过程的仿真模拟,机体稳定前移过程中的垂向起伏微小,侧向偏移率约为2.1%。将该方法应用于开发的六足机器人原理样机,进行野外自然环境行走测试,各关节按预定轨迹平稳运动,足端受力合理。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了提出的运动规划方法合理可行。     

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。     

六足机器人机构优化设计及运动仿真分析

针对多连杆组合机器人驱动复杂性问题,对一种齿轮—连杆组合机构的六足机器人进行优化设计。采用优化算法对腿部各连杆尺度进行了优化分析并进行了运动学仿真,在相同工况下分别对机器人直线行走、曲线行走以及直线—曲线行走的质心轨迹、关节的角速度、角加速度进行分析并对比优化前与优化后实验数据。实验结果表明,六足机器人机构设计符合实际情况,模型优化的合理性与准确性得到进一步验证,进而为以后多足机器人更深入研究奠定基础。     

基于齿轮传动的结构仿生螃蟹机器人设计

基于螃蟹的结构特性,运用仿生学原理设计了一款由八只足和两只钳螯组成的仿生螃蟹机器人。控制行走步进电机驱动齿轮曲柄摇杆机构实现螃蟹机器人的横向行走、转向等基本动作,控制升降步进电机驱动齿轮齿条机构实现钳螯的升降,控制摆动舵机实现钳螯的左右摆动,控制抓取舵机驱动两不完全齿轮双摇杆机构实现钳螯的抓取。该仿生螃蟹机器人传动灵活、动力传递效率高、维修方便,有很好的路况适应能力。该机器人在复杂路况下进行搜救与探测等方面,具有较好的应用潜力。本文为极端环境下的多足仿生探测机器人的传动设计提供了借鉴和参考。     

慧鱼六足仿生机器人步态研究与实现

在仿生学原理的基础上,对六足步行机器人三角步态的行走原理和稳定性进行了分析。采用慧鱼仿生机器人包搭接出六足步行机器人,进行了一系列步行的实验。并对机器人腿部机构中的足端轨迹进行了仿真与分析。结果表明该机器人能够严格按三角步态进行行走,实现诸如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能,具有较好的机动性。     

八足机器人行走机构设计及其运动学分析

针对多足机器人在变地形环境下快速行走的问题,对多足机器人的腿部机构与运动模式进行了研究,设计了两种机器人腿部行走机构,即六连杆腿部机构与齿轮传动腿部机构,并基于这两种腿部行走机构组合了一种八足机器人。首先,对八足机器人各腿部行走机构和整体结构进行了设计分析,根据各腿部机构选择适用步态进行了研究,即前后连杆腿的对角步态与中部齿轮腿的单线直行步态;然后,研究了机器人的两种不同腿结构的行走性能,对其进行了运动学分析;最后,整体分析了机器人对角步态和越阶梯两种运动模式,并通过ADAMS软件对机器人两种运动模式进行了运动仿真,将后处理曲线与运动分析进行了对比。研究结果表明:机器人行走具有稳定性,两种运动模式具有可行性。     

六足机器人步态规划与运动仿真

根据地震救援六足机器人的结构和参数,利用D-H理论方法,建立了机器人单腿的运动坐标系,采用高阶函数拟合机器人单腿足端轨迹,得到相应的单腿运动学模型。在MATLAB软件中编写运动学函数,对机器人腿部足端轨迹规划仿真,验证机器人关节的角度曲线、角速度和角加速度的变化范围,从而得到合理的足端轨迹,以期为后期的进一步分析提供一定的理论基础和依据。     

基于弹簧负载倒立摆模型的闭链弹性仿生腿设计

基于弹簧负载倒立摆(SLIP)模型的结构特性,提出一种面向高速奔跑的新型仿生闭链弹性腿结构。以猎豹的腿部骨骼肌肉系统为仿生对象,基于Stephensen-Ⅲ型连杆机构的构型进行演化设计,在腿部杆件结构中加入弹簧,并引入两杆三副,构建一种符合SLIP模型结构和弹性特性的八杆十副腿部机构。基于闭环矢量法对腿部机构进行运动学分析,采用对称弯月形曲线作为期望足端轨迹,提出一种将机构尺度综合分为腿部骨骼尺寸设计与曲柄摇杆尺寸优化的设计方法,得到了满足期望足端轨迹的结构尺寸。进一步采用拉格朗日动力学方程描述单腿足端地面反作用力与驱动力之间的关系。应用Adams软件建立动力学仿真模型,进行质心速度、质心垂直位移、弹簧变形量等仿真分析。经构型设计、运动学分析、动力学仿真和结构设计,验证了该新型闭链弹性仿生腿可实现快速的奔跑步态。     

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。     

关节空间和工作空间的混合轨迹规划算法研究

为了实现机器人的高速、高精度控制,必须对机器人进行合理的轨迹规划,同时,轨迹规划也是实现驱动电机力矩和功率得到充分利用的核心内容。将编写Python语言的轨迹规划程序,并使用关节空间和工作空间的五次样条函数混合轨迹规划法对Delta两自由度机器人进行轨迹规划,再利用动力学对轨迹规划结果进行相应的优化。生成的拟合曲线表明,机器人的混合轨迹规划法充分利用了关节空间和工作空间轨迹规划法的优点,并且动力学优化后的结果,对提高驱动电机的使用效率具有很好的指导性意义,最后通过实验验证了结果的正确性。