步行机器人静稳定跨越直立障碍能量分析

对四足步行机器人静稳定跨越直立障碍时的运动能量进行了分析．给出了能量分析模 型、关节驱动功率推导以及跨越直立障碍的步态解析,考察了驱动能量与躯体运动姿势、步态参 数、结构配置之间的关系．     

一种步行机器人举重运动的步态规划

提出了类人机器人的一种举重运动生成方法,并在此基础上设计了一组举重的姿态,利用机器人的全身运动使举重变得轻松。该方法让机器人执行一个基本运动来产生即刻传到重物上的冲力,使机器人能举起在持续力作用下举不起的物体,但冲力可能导致机器人站立不稳。基于此,本文进一步给出了类人机器人的支撑面内质心投影的计算方法,为机器人动态控制提供依据,实验证明了该方法的有效性。     

人体步行捕捉下的双足机器人跟随步行与实验

为深入研究服务型仿人机器人实时跟随人步行的问题,提出了基于人体步行运动捕捉的双足机器人步行样本生成方法,并进行了机器人-人跟随步行实验.对PS三维运动捕捉系统在线获取的人体步行样本进行运动学匹配并考虑机器人关节极限约束条件后,得到机器人步行样本,构建机器人仿人步行的样本库;根据笛卡尔空间和关节空间内的运动参数定义机器人与人的步行相似度综合评价,提出基于相似度评价的在线样本检索方法,以"关节角距离"为评价选取拼接点,实现样本在线拼接的样本过渡方法,解决了机器人跟随人进行变速步行的问题;完成了双足机器人跟随不同人进行稳定步行的实验,跟随过程中的距离误差不超过±52 mm,跟随结束后的位置误差不超过±10 mm.     

一种类人型机器人的步行稳定性研究

类人型机器人行走稳定性的理论对机器人模仿人的行走有着至关重要的影响。通过增加类人型机器人的脚跟,使其行走稳定性增强.根据双足机器人行走稳定性的动力学条件,结合类人型机器人行走的特征和重心位置,并考虑地面反力和能量两方面的因素,给出了类人型机器人行走稳定性与脚跟高度的数学关系,即增加机器人的脚跟可以增强类人型机器人步行的稳定性.     

人和动物的步态与步行机器人

对人、四足动物、蛇、毛虫的行走方式和躯体形态以及它们在步态、体态方面的差别进行了综合论述,进而对不同行走方式的机器人的步态策略进行了论述。展望了动物步态和仿生步行机器人研究的发展前景。     

基于Simulink的下肢外骨骼机器人模糊PID控制与仿真分析

为研究下肢外骨骼的轨迹跟踪控制,结合人体生物学特点及户外助力要求,设计了一款可穿戴式下肢外骨骼机器人。针对PID控制在轨迹跟踪时无法消除扰动的问题,为实现下肢外骨骼的柔顺控制,设计了一种模糊PID控制算法。首先在Solid Works上进行外骨骼结构设计,然后将外骨骼模型导入Simulink中搭建动力学仿真模型,对髋、膝、踝六关节驱动输入正常人体行走的力矩信息,在仿真模型中分别用普通PID控制器与模糊PID控制器对比控制效果,并对比了步态输入曲线与实际跟踪曲线。通过仿真结果对比可知,模糊PID控制相较于普通PID控制具有响应速度快、抗干扰能力强等优点。     

两足步行机器人并联腿机构的稳定性分析

提出了用ZMP点作为评价两足步行机器人并联腿机构稳定行走的指标,并给出了机器人在理想的状况实现静态行走时的ZMP点与稳定裕度的关系．分析了已知并联机器人在给定末端执行器轨迹的情况下在理想的地面进行稳定行走时的重心轨迹,并且给出了两足机器人能够稳定行走的区域,为两足并联机器人的研究开发和控制打下了坚实的基础．     

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.     

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。     

柔性膝关节保护外骨骼及其行走助力方法设计

设计柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼,用于实现人体运动过程中膝关节负载减重及行走助力功能. 根据人体生物力学特点,使用固体各向同性材料惩罚（SIMP）模型与有限元分析设计柔性外骨骼膝关节,该柔性关节在行走运动支撑期具有刚性,能够减轻膝关节体重负载,在摆动期柔性较强,能适应人体生理关节运动特性,不对膝关节造成额外载荷. 在柔性可穿戴式膝关节外骨骼结构的基础上,配套设计行走助力模块,研究相应的助力控制方法可以实现步行助力. 性能测试实验表明,单侧膝关节保护外骨骼最大能减轻110 N的膝关节负载,外骨骼结构自身质量为639 g,减重比大;带行走助力模块的外骨骼系统质量为4.8 kg,能实现步行运动的助力功能.     

双足机器人动态上下楼梯的规划与控制

针对双足机器人上、下楼梯时的稳定行走问题,结合机器人动态上、下楼梯的约束条件,规划双足机器人动态上、下楼梯的步态,并提出了相应的稳定性控制策略。其中,机器人侧向平面采用保持机器人质心动态平衡的规划方法,通过调整躯干侧向最大偏移量,实现机器人侧向平面的稳定;机器人前进方向和重力方向采用三次多项式拟合的步态规划方法,通过传感器反馈的躯干姿态角及相应的角速度信息,结合楼梯台阶信息,调整机器人前进方向和重力方向质心的位置,保证机器人运动的稳定性。仿真结果验证了该方法的有效性。     

有挠性驱动单元的双足机器人研制与步行实验

为减缓机器人脚底冲击,设计、研制带有挠性驱动的10自由度仿人双足机器人,该机器人髋关节俯仰关节由FDU-II型挠性驱动单元驱动;搭建FDUBR-I型仿人双足机器人控制系统硬件和软件,组建上位机与两块运动控制卡的交换式以太网络用来实现上位机与运动控制卡的实时通信,该控制系统包括FDU-II型挠性驱动单元的张力反馈和关节全闭环控制子系统;进行FDUBR-I型仿人双足机器人稳定步行实验,验证FDU-II型挠性驱动单元对机器人髋关节的驱动能力以及基于黏弹性动力学模型反馈的关节全闭环和张力反馈控制器的控制效果,机器人在0.1 km/h的步速下实现双足稳定步行.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

Kinematics analysis for obstacle-surmounting capability of a joint double-tracked robot

A double-tracked robot is designed from mechanical and control perspectives, which consists of two segments connected with a swing joint. As the angle between the two segments of the robot platform can be changed, the robot can move like a four-tracked robot on many terrains. The center of gravity (CG) kinematics model is established, which plays an important role in the process of traveling over obstacles and climbing up stairs. Using this model, the CG change situation and the maximal height of the climbable obstacle are obtained. Then the relationship between the robot pitch angle and the height of the obstacle is established. Finally, a reasonable system structure for the robot is designed and its kinematics analysis for obstacle-surmounting capability is conducted through experiments.     

转向盘式全方位六足机器人运动分析及控制

提出了一种腿式机器人与转向盘复合的全方位步行机构,介绍了其独特的运动特点和转向性能;为了实现对其良好的运动控制,建立了该步行机器人转向机构在运动过程中的等效机构模型,采用拉格朗日力学法推导出操作臂的动力学方程;通过对样机模型的运动规划和实验研究,证明了转向盘式全方位机器人具有简单灵活、精确的方向可操控性。     

一种具有稳定平台可全向滚动的球形机器人设计与分析

提出了一种具有稳定平台的全向滚动球形机器人装置．该球形机器人由装在球体内部、相互垂直布置的两台伺服电机驱动,可在平面上全向滚动．在球形机器人内部有一个稳定的仪器、设备搭载平台,这个平台在球体全向滚动过程中始终保持稳定的姿态而不随球体一起滚动．介绍了该球形机器人的结构原理,基于其运动的非完整约束,利用广义欧拉角给出了其运动微分方程,建立了该球形机器人的运动学模型,结合实例对该球形机器人进行了运动分析和仿真．     

智能轮椅担架车的折展机构设计与分析

针对智能轮椅担架车折展状态之间的转换难题,提出单自由度5杆机构,对该机构进行详细的设计与分析. 通过最小包容面积法,得出扶手连杆和连架杆的最优尺寸,分别为507.9和332.5 mm;基于连杆机构的静力学分析,采用6根扭簧和RV减速电机作为连杆机构的驱动装置,减少了电机的驱动力矩,整体结构紧凑. 根据优化参数和驱动装置的计算结果,开展智能轮椅担架车折展机构的设计,分析扶手构件在如厕状态和折展状态时的应力变化,验证了该构件强度的可靠性. 研制智能轮椅担架车,采用不同重量的实验人员进行折展机构的性能测试,从机构的运动过程和电机电流变化来看,所设计的驱动装置和优化参数结果合理.