四足机器人前小腿系弹性牵拉驱动机构设计

为实现四足机器人腿机构轻量、柔性以及高刚度的设计,从生物学出发,研究了狗在高速运动中肌肉牵拉对其前腿骨骼刚度的影响.应用ADAMS动力学仿真软件模拟了狗单条腿在对角步态下的运动与受力环境,研究并比较了骨骼受肌肉牵拉和无肌肉牵拉两种状态.仿真结果证明,肌肉牵拉对骨骼刚度有大幅度的增强作用,能够使骨骼支撑动物实现稳定的运动而不被破坏.进一步提出并验证了采用弹簧弹性力牵拉能够达到与肌肉牵拉力相同的效果,并将此结论应用于四足机器人前小腿弹性牵拉驱动机构设计中,将关节弹性力耦合作用与机构两端形成牵拉作用,并研究了弹性力作用点变化与弹簧刚度以及机构最大应力值之间的约束关系.结果表明,这种设计在保证关节弹性力输出控制特性不受影响的情况下能够有效提高腿机构的刚度.     

高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现

详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统.利用基于姿态解耦的运动控制方法,实现了机器人的平稳、快速运动.开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法,提高了机器人对复杂地形的适应能力.在实际运行实验中,验证了SCalf机器人在非平整路面、易打滑路面、上下坡及上楼梯状况下的运动能力,以及受到侧向冲击时的抗扰动能力和自主平衡能力,证明了SCalf四足机器人能够满足较为复杂地面环境下的行走需求.     

液压驱动四足机器人控制系统开发

针对液压驱动四足机器人的结构特点和自动化运动需求,设计基于CAN总线通信的分层式控制系统,分为远程监控层、规划控制层和执行控制层三层,并按照控制系统总体设计方案进行硬件系统和软件系统开发;该控制系统应用基于WINDOWS的PC机和基于ARM开发的触摸操控板进行远程监测和控制,采用基于QNX的PCI/104单板机对机器人的运动进行规划,选用DSP作为执行机构处理器,从而构建了一个具有工作性能稳定、实时响应快、结构紧凑等特点的控制系统平台;软件系统采用模块化设计的思想进行开发,提高了控制系统的扩展性;最后,通过对液压缸运动的控制实验,验证了该控制系统的稳定性和可靠性。     

四足仿生机器人单腿系统

为实现四足仿生机器人动步态行走,设计一款基于液压驱动方式的机器人仿生单腿系统.首先,在四足哺乳动物肌肉-骨骼结构分析的基础上,确定了机器人单腿的自由度配置;其次,通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真,获得关节输出特性;随后,在仿真研究的基础上,完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计以及控制系统设计;最后,搭建单腿子系统性能测试平台,并完成了单腿纵向弹跳实验.弹跳实验验证了机械结构和控制系统设计的正确性和相关控制算法的有效性.     

电动力液压驱动四足双臂机器人的设计与实现

针对定基座机器人在复杂环境下作业能力不足的问题,研制出电动力液压四足双臂机器人,将浮动基座与双臂系统的优势有机结合,能够代替人员完成复杂环境下应急处置、工程作业等任务。详细阐述了四足双臂机器人的机械结构、机载电液动力系统、分布式控制系统以及仿真与操作训练平台的设计与实现。提出基于全身虚拟模型的足底力分配方法与足臂协调运动规划方法,实现了躯干浮动基座与双臂系统的联动,大大提升了机器人的作业能力和效率。通过搭建的仿真与操作训练平台完成单臂作业以及双臂协同作业的仿真,验证了所提出控制方法的有效性,并对机器人操作员进行操作训练。在实际样机实验中,测试了单臂抓取以及双臂协同抓取的能力,证明了四足双臂机器人能够满足复杂环境下移动作业的需求。     

仿生猫科机器人的肩腿部运动学分析与结构优化

针对仿猫四足机器人肩腿结构进行研究,对机构进行运动学分析,通过蒙特卡洛法求解机器人足端运动空间。对比不同大小腿长比例下的足端可达空间,对机器人肩腿长度进行优化。将得到的优化结果作为输入,利用虚拟样机技术仿真输出机器人俯仰角和翻滚角曲线,验证机器人优化后的行走稳定性。通过拓扑算例对肩腿结构进行拓扑优化,获得腿部优化后结构形式,为样机试制奠定基础。     

四足机器人的设计制作与实现

随着科技的不断进步和计算机技术的快速发展,机器人技术越来越受到人们的普遍关注,并在众多领域得到了广泛应用。本文基于仿生学原理,以atmel单片机为控制器的核心,舵机作为驱动元件,通过keil软件编写程序下载到控制板进行控制,做出了机构灵活、价格低廉的四足机器人。     

面向林地环境的四足机器人自主定位方法

林地是四足机器人野外作业的典型场景,其树木多且间距小,对四足机器人快速导航的定位频率和精度提出了更高的要求。采用腿部里程计定位可以获得较高的更新频率,但林地地面松软、凹凸不平等会引起足端打滑,使其精度降低;而激光雷达定位,虽然林地环境特征丰富,但其存在一定匹配误差且更新频率低,也难以满足快速导航要求。针对此问题,提出了一种适用于林地环境的自主定位方法,采用腿部里程计去除激光雷达点云畸变,并分别提取林地地面和树干特征进行匹配,提高激光雷达定位精度;在激光雷达2次定位之间采用中值和窗口滤波融合腿部里程计的插值数据,提高定位频率。在林地实验中,四足机器人行走110 m,最终偏移为0.09 m,在设定路线导航下最终定位值与期望值相差0.2 m,定位频率500 Hz,四足机器人能准确顺利地完成导航任务。     

电驱动机器人手臂可控性分析

本文以一种由直流电动机驱动的单个关节的机械手臂为基础。建立其控制系统的无量纲化数学模型,然后再对线性化后的系统。以及因电源电压的限制和系统本身的非线性因素等构成的非线性系统的可控性进行了分析。结果表明,当此系统作为线性系统处理时是完全可控的。但是,当考虑电源电压的限制及系统的非线性因素时,则该系统在一定的参数条件下,在状态空间的某些范围内不能用一般状态反馈控制实现完全的可控性。然而,采用适当控制策略的以计算机为基础的非线性控制器(智能控制器)则可解决其完全可控性的问题。     

四足步行机器人中缩放式腿机构设计参数的选择

为了研制实用的缩放式四足步行机器,本文对在三维直角坐标系中用三个直线运动来实现足端空间运动的缩放式腿机构的运动空间进行了分析。用优化的方法得出了K_2=1和K_1越大越好的结论;并给出了较优的运动行程和驱动器的安放位置。     

Development of an Autonomous Quadruped Robot for Robot Entertainment

In this paper, we present Robot Entertainment as a new field of the entertainment industry using autonomous robots. For feasibility studies of Robot Entertainment, we have developed an autonomous quadruped robot, named MUTANT, as a pet-type robot. It has four legs, each of which has three degree-of-freedom, and a head which also has three degree-of-freedom. Micro camera, stereo microphone, touch sensors, and other sensor systems are coupled with newly developed behavior generation system, which has emotion module as its major components, and generates high complex and interactive behaviors. Agent architecture, real-world recognition technologies, software component technology, and some dedicated devices such as Micro Camera Unit, were developed and tested for this purpose. From the lessons learned from the development of MUTANT, we refined the design concept of MUTANT to derive requirements for a general architecture and a set of interfaces of robot systems for entertainment applications. Through these feasibility studies, we consider entertainment applications a significant target at this moment from both scientific and engineering points of view.     

步进机器人自适应模糊伺服控制设计

本文提出一种新的模型参考自适应模糊控制器,并应用于步行机器人关节速度伺服控制,实验结果表明,该控制方案国好地解决了转速给定变化范围大和被控对象增益时变问题,改善了控制系统的鲁棒性和动态响应特性。     

适用多种环境的救灾勘探四足仿生机器狗

随着自然灾害的频发,救援人员的伤亡人数也在增加,机器人代替人完成救援工作成为研究热点。根据对国际相关领域研究成果的分析,设计了一款稳定性高,环境适应能力强的仿生四足机器狗。全身支架采用铝合金打造,腿部采用碳纤维打造,搭配大扭矩电机,结合六自由度机械臂,实现不同地形环境下的前进方式转换。基于前肘后膝式的腿型设计并结合ADAMS仿真,实现稳定行走。结合气体检测和图像识别模块,实现救灾现场的环境勘探和搜救任务。基于稳定裕度最优化的原则,采用对角步态的行走步态控制方式。公布了8自由度前肘后膝X腿型式四足机器狗机械设计及其步态控制方案。     

基于ARM9的四足机器人控制器设计

针对液压驱动的四足机器人复杂实时控制的问题,提出了一种以ARM9为内核的嵌入式控制系统的设计.该控制系统采用RS232串口和监控机进行通信,控制层采用一个主控制器和4个子控制器的分布式控制系统,主、子控制器之间采用CAN总线通信.实验证明,系统设计合理,运行稳定可靠,能较好地完成四足机器人对控制系统的实时性要求.     

四足机器人对角小跑中机体翻转分析与姿态控制

为了解决四足机器人对角小跑运动中机体绕对角线翻转的问题,在理论分析翻转原因的基础上提出一种简单有效的姿态控制方法.首先建立四足机器人腿结构的运动学模型,通过数值运算与分析,得到机体翻转的根本原因,即支撑腿髋部前摆关节的反作用力矩产生了绕机体对角线的翻转运动.在此基础上,提出利用支撑腿的髋部侧摆关节力矩来平衡机体翻转的姿态控制方法,并分析讨论了姿态控制可能引起的机体侧向运动现象.最后进行动力学仿真试验,发现机器人在不施加姿态控制的情况下很容易失去平衡而翻到;而在应用了提出的姿态控制方法后,机器人能够实现稳定的小跑运动并且保持机体翻转角度在一个较小的范围内稳定波动.仿真试验对比证明了该姿态控制方法能有效控制机体翻转运动并保持机器人动态平衡.     

The Design and Control of a Prototype Quadruped Microrover

We describe the design, construction and control of a quadruped robot which walks on uneven terrain. A control system which produces a statically stable gait has been implemented; results showing a straight and turning gait are presented. The control of quadruped robots poses interesting challenges due to a small stability margin (when compared to hexapods for example). For this reason most implemented systems for outdoor walking on uneven terrain have been hexapods. The system described here has the added virtue of using very few inexpensive sensors and actuators. One of the aims of this work is to build a reduced complexity (low power, low mass and direct drive) walking robot for statically stable walking. The other aim is to compare the performance of this robot with a wheeled robot roughly the same size and weight. In this paper we report on progress towards the first of these two goals using a traverse across an obstacle field as an example.     

仿生液压四足机器人伺服控制器设计

本文结合仿生液压四足机器人的研发指标,设计了基于 STM32F405的分布式电液伺服控制器。控制器伺服总线基于双 CAN 总线设计,将控制指令总线和状态反馈总线独立分离,并基于 CAN 总线通信协议设计了单帧伺服指令。设计了纯数字伺服阀驱动电路,使用 PWM 驱动 MOSFET 全桥方式实现。实验结果证明,仿生液压四足机器人电液伺服控制器符合预期的性能指标要求,达到预想的设计效果。     

具有2DOF铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人

为了探索脊柱运动对腿运动的增强机理,设计了具有2自由度铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人。对带腾空相的跳跃（bound）步态奔跑运动的力学过程进行描述,采用阻尼型弹性负载倒立摆（D-SLIP）模型建立了四足机器人动力学模型。依据猎豹的奔跑运动模式,对四足机器人脊柱关节与腿关节的耦合运动进行了轨迹规划。提出一种改进的粒子群优化（PSO）算法,解决了机器人脊柱关节驱动机构尺寸和运动轨迹控制参数之间目标互斥的嵌套优化问题。对四足机器人跳跃奔跑运动进行动力学仿真,结果表明：脊柱与腿的协调运动可以增大奔跑步幅,使机器人产生腾空相,从而提高机器人的奔跑速度。