一种四足式爬壁机器人控制系统的研究

四足式爬壁机器人控制系统采用分级控制的分布式结构,上位机采用ARM结构的高级单片机,下位机采用微型直流电机伺服控制器,通讯方式采用RS232总线．文章介绍了该控制系统的软硬件体系结构,以及通讯管理模式．分析表明该控制系统方案及设计是可行的．     

四足机器人Trot步态规划与仿真分析

为了提高四足机器人对角步态的稳定性,缓解对角步态摆动相两条腿不能同时着地的问题,从足端轨迹优化、足端初始位置选择这两方面进行步态规划.通过D-H法建立四足机器人运动学模型,几何法求运动学逆解.基于零冲击原则优化足端轨迹函数,选取8种不同的初始足端位置进行仿真.从足端冲击力、机体位移、俯仰角、滚动角、偏航角的变化等方面分...     

崎岖地形环境下四足机器人的静步态规划方法

为了使四足机器人能够通过姿态调整提高其自身的地形适应性,给出了机器人姿态调整角的计算方法。四足机器人在行走过程中通过躯干的摆动增加稳定裕度,并使用五次曲线对躯干运动轨迹进行规划,保证了整个运动过程的连续性。另外,为克服机器人无法获取地形信息的不足,规划了一种矩形摆动足足底轨迹。仿真实验结果表明:使用提出的静步态规划方法,四足机器人可以在未知地形信息的情况下,实时、自主、稳定地通过复杂度较高的崎岖地形。     

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。     

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。     

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。     

仿生八自由度四足机器人仿真与结构设计

介绍一种四足机器人,在SolidWorks中建立模型,采用虚拟样机、机械系统动力学自动分析软件ADAMS对四足机器人进行仿真研究,利用仿真研究的结果采用现有零件搭建实体.利用美国国家仪器公司的嵌入式系统myRIO搭载双核ARM9来控制舵机和传感器,进而控制四足机器人的八个关节,实现四足机器人的前进、后退、左转、右转等基...     

模块化小型爬壁蠕虫步态分析

通过对自然界中蛇和丈量虫蠕动方式的分析,提出了一种适合爬壁的模块化蠕虫结构。在此基础上规划了机器蠕虫的运动步态并进行了实验．证明其机械结构和运动步态的可靠性。     

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.     

下肢康复训练机器人步态规划及运动学仿真

为满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了一种具有四自由度步态机构的下肢康复训练机器人,建立了步态机构正逆运动学解析模型;为使机器人能模拟不同步态为患者提供多种训练模式,根据步行运动特征,给出了以步长,步态周期及步态时相为参数的可调步态规划方法.通过基于Matlab＼Simulink＼SiMMechanics环境下的机构运动学仿真分析,验证了运动学模型的正确性以及步态规划的可行性,说明该四自由度步态训练机器人可以模拟正常人步行时的步态和脚踝运动姿态,满足患者步态训练需要.仿真结果还可用于步态机构的参数优化设计,并为后续人机控制系统研究提供必要数据和研究基础.     

基于Wilson-Cowan神经振荡器的四足机器人步态规划研究

中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)是一种重要的机器人节律运动控制方法。在Wilson-Cowan神经振荡器基础上,提出了一种新的CPG控制器,用于四足机器人的节律运动控制,每个Wilson-Cowan神经振荡器分别对应机器人的一个步行腿,对机器人的腿进行协调运动控制。通过调整振荡器之间的步态连接权矩阵,可以实现机器人不同的节律运动和各种运动模式间的转换。计算机仿真表明:本文提出的CPG控制方法能够稳定的生成不同步态的机器人运动轨迹,输出结果能够较好地符合各种步态的相位要求。     

四足机器人静-动步态平滑切换算法

为提高四足机器人对不同地形的适应能力,给出间歇静步态向对角小跑步态切换(walk-to-trot)的不同情况以及最优(在保证稳定切换的前提下,实现速度的平滑变换和不同步态情况下的最短时间切换)切换方法。为保证步态切换过程中的平滑性,给出关于时间的速度公式,使机体重心保持恒定加速度;为保证切换阶段的稳定性,利用改进的泛稳定裕度判别法(wide stability margin method, MWSM),通过调整足端与质心相对位置,消除步态变换过程中由惯性力导致零力矩点后移对稳定性的影响。基于Webots仿真软件,建立四足机器人仿真模型,验证方法的可行性和有效性。该方法可应用于间歇静步态中的6个状态点并将其平滑、稳定的切换为对角小跑步态。     

双足机器人结构设计与步态规划

为了增强机器人的行走效率,使机器人的步态更自然,且具有良好适应复杂路况的特点,设计了一款双足机器人研究平台,并建立双足机器人行走机构的运动学模型,同时对机器人的前向运动进行了步态规划,从而提高了机器人运动过程中的稳定性.采用三次样条插值方法得到机器人各关节的平滑运动轨迹.     

双足爬壁机器人三维壁面环境全局路径规划

为求解双足爬壁机器人在三维壁面环境中的全局路径,提出了一种结合壁面可过渡性分析、全局壁面序列搜索和壁面过渡落足点优化的规划方法. 首先,为得到双足爬壁机器人在壁面间过渡的可行性,通过机器人可达工作空间与壁面简化处理将其转化成几何图形相交测试问题. 然后,用图搜索方法找出全局壁面序列, 再以路径最短为目标建立数学模型优化求解壁面序列中相邻壁面间最优过渡落足点,最终得到最优全局路径. 以双足爬壁机器人W-Climbot为对象做仿真验证,仿真结果表明该方法在5至20个壁面构成的三维环境中,机器人在不同壁面间的可过渡性分析与全局壁面序列搜索过程平均耗时只需2 ms,求解得到优化全局路径的比例为95%,平均耗时均在4 s以内. 该方法可以为双足爬壁机器人提供优化的全局路径并为其下一步的运动规划奠定基础.     

四足机器人跳跃步态控制方法

针对四足机器人的奔跑控制问题,提出一种基于跳跃(Bound)步态的奔跑控制方法,通过腿部的快速小幅度摆动实现四足机器人的Bound步态。使用有限状态机将机器人的一个运动周期分为6个阶段,其中前腿与后腿各3个阶段,触地缓冲阶段采用竖直弹簧阻尼模型,蹬地阶段使用虚拟模型调整腿部对地推力方向,摆动相使用贝赛尔曲线规划足端轨迹。通过在动力学仿真软件中构建与液压驱动四足机器人SCalf-II同尺寸、同质量的虚拟样机对所提出的方法进行仿真验证与测试,结果表明机器人在5个周期后形成了有较强周期性的Bound步态,前进方向速度波动较小,各关节运动范围、速度、力矩均在SCalf-II设计指标之内,从而验证了该方法的正确性和有效性。     

Continuous and smooth gait transition in a quadruped robot based on CPG

To improve the smoothness of motion control in a quadruped robot, a continuous and smooth gait transition method based on central pattern generator (CPG) was presented to solve the unsmooth or failed problem which may result in phase-locked or sharp point with direct replacement of the gait matrix. Through improving conventional weight matrix, a CPG network and a MATLAB/Simulink model were constructed based on the Hopf oscillator for gait generation and transition in the quadruped robot. A co-simulation was performed using ADAMS/MATLAB for the gait transition between walk and trot to verify the correctness and effectiveness of the proposed CPG gait generation and transition algorithms. Related methods and conclusions can technically support the motion control technology of the quadruped robot.     

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.     

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量（DCM）的在线步态规划方法. 将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM）,根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点（ZMP）约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩. 通过仿真验证以上算法,仿真结果表明：与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.