一种独立轮腿式机器人的步态规划研究

轮腿式机器人是一种具有轮式和腿式机器人优点的复合式移动机器人,合理的步态规划是其能否实现轮腿协调的关键^[1]。介绍了一种具有独立车轮和机械腿结构的轮腿式机器人。先根据几何约束设定机械腿末端轨迹,然后对不同的步态相做出合理的机构简化,采用D-H建模的方法对机器人进行运动学分析,通过运动学反解获得机器人在轮腿协调爬行时机器人的步态规划。通过样机实验对机器人运动规划的结果进行了验证。结果证明利用文中的规划方法可以很好地指导机器人的运动。     

非结构环境六轮腿机器人典型路况步态规划及分析

针对非结构环境下六轮腿机器人地形通过性及高效行走问题,在已有并联六轮腿机器人模型的基础上,建立六足轮腿机器人运动学模型,分析机器人在凸起、凹坑、斜坡、崎岖等典型非结构地形下的移动能力,获得典型非结构地形机器人移动能力与机器人构型参数的相互影响关系.进而规划了六轮腿机器人典型大尺度非结构地形条件下的运动步态,通过ADAMS软件仿真验证了运动模型的正确性及运动步态的可行性;研究结果可为六轮腿机器人非结构地形条件下实现高效行走的控制策略提供借鉴.     

非结构环境六轮腿机器人典型路况步态规划及分析

针对非结构环境下六轮腿机器人地形通过性及高效行走问题,在已有并联六轮腿机器人模型的基础上,建立六足轮腿机器人运动学模型,分析机器人在凸起、凹坑、斜坡、崎岖等典型非结构地形下的移动能力,获得典型非结构地形机器人移动能力与机器人构型参数的相互影响关系.进而规划了六轮腿机器人典型大尺度非结构地形条件下的运动步态,通过ADAMS软件仿真验证了运动模型的正确性及运动步态的可行性;研究结果可为六轮腿机器人非结构地形条件下实现高效行走的控制策略提供借鉴.     

非结构环境六轮腿机器人典型路况步态规划及分析

针对非结构环境下六轮腿机器人地形通过性及高效行走问题,在已有并联六轮腿机器人模型的基础上,建立六足轮腿机器人运动学模型,分析机器人在凸起、凹坑、斜坡、崎岖等典型非结构地形下的移动能力,获得典型非结构地形机器人移动能力与机器人构型参数的相互影响关系.进而规划了六轮腿机器人典型大尺度非结构地形条件下的运动步态,通过ADAMS软件仿真验证了运动模型的正确性及运动步态的可行性;研究结果可为六轮腿机器人非结构地形条件下实现高效行走的控制策略提供借鉴.     

轮腿式机器人运动学分析及其步态规划

文中提出了一种可实现构型切换的轮腿式机器人，能根据地形的不同切换为不同的构型，且前腿末端可与夹取装置相结合，能够通过变换姿态构型将前腿用作机械臂，通过配合前臂关节与末端夹取装置协调运动以实现远程代替人工进行作业的功能；对轮腿机器人在运动过程中进行单腿的正/逆运动学分析；对轮腿机器人进行了CPG步态规划和可操作性仿真分析。结果表明：轮腿机器人运动平稳，前腿在混用为机械臂时可操作空间大，验证了可重构轮腿式机器人机械结构的可行性和合理性。     

轮腿式机器人步态生成的拓扑矩阵方法

为实现机器人在核电救灾等非结构化环境中的步态规划和自适应行走,以六足轮腿式机器人为研究对象提出基于当前地形的机器人自适应在线生成步态的规划策略,通过全局地形环境中机器人对前进方向局部地形的实时识别,确定其基本地形类型,产生相应的基本步态,动态生成机器人的步态序列。定义机器人触地状态及其列矢量表达,给出机器人步态因子的分类及其拓扑矩阵;定义基本地形及相应的基本步态,给出基本步态的拓扑矩阵;在此基础上,提出基于地形识别的步态拓扑规划策略和步态拓扑矩阵生成流程,通过矩阵递推算法实现机器人步态拓扑的动态生成。     

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。     

基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法

搭建了电动并联式轮足机器人的运动学模型,在单腿工作空间约束和行走稳定性约束条件下完成了间歇步态和旋转步态的基本步态设计,保证机器人在大负重情况下的全方位稳定行走。分析了机器人运动速度矢量与不同基本步态之间的对应关系。提出了基于速度矢量的电动并联式轮足机器人全方位步态切换方法,分析了步态切换的最佳时机,详细介绍了不同种步态之间的步态切换过程。通过虚拟样机和物理样机试验平台对本步态切换方法进行仿真分析和试验验证。仿真与试验的结果表明,电动并联式轮足机器人在基本步态行走和步态切换过程中,稳定裕度始终不小于零,且机器人机身的横滚角和俯仰角分别在–1.5°～4°和–2.8°～2.5°范围内变化,该方法能够保证电动并联式轮足机器人稳定的完成步态切换。     

液压四足机器人单腿竖直跳跃步态规划

针对机器人跳跃运动落地时冲击力大的问题,面向竖直跳跃运动,以液压四足机器人单腿为研究对象,建立液压驱动四足机器人单腿运动学模型,并分别对机器人单腿处于起跳相、落地相和腾空相时进行轨迹规划;根据关节参数,通过运动学逆解求得驱动函数,利用仿真软件ADAMS进行竖直跳跃步态仿真;搭建单腿实验平台,进行实验验证,依据得到的动态特性,分析步态规划的准确性及合理性,为后续液压四足机器人动步态的研究提供设计和控制依据。     

3-PUU轮腿式移动机器人的步态与稳定性分析

轮腿式机器人兼具轮式的移动速度快和腿式的越障能力强的优势,是新型移动机器人的发展方向。提出了一种基于3-PUU并联机构的轮腿式移动机器人,其具有并联机构的结构简单、刚度大、承载能力强等优势。对3-PUU轮腿式移动机器人的腿式行走步态进行了分析,阐述了轮腿切换原理以及轮式模式下的转向原理。通过重心计算,分析了该机器人在路面上运动的稳定性,确定了最大步长。利用三次样条插值法推导出了平台的运动轨迹方程,并在Matlab环境下进行仿真,得到平台的位移、速度、加速度变化规律。仿真结果表明,该机器人可实现连续稳定的行走,可用于煤矿井下等危险环境的救援任务。     

四足轮腿式移动机器人的步态分析及轨迹规划

针对外星复杂的地表环境,基于2-UPS/(S+SPR)R闭环并联机构,设计了一种四足轮腿式移动机器人。通过对比机器人在运动过程中的稳定裕度与重心调整量得到最优步态,利用ZMP法衡量了机器人在静步态下的稳定性,并用改进的复合摆线法规划了足端的运动轨迹。在整个运动过程中,机械腿运动平稳,速度、加速度变化较为平滑,不会出现对机械腿造成损坏的较强冲击;且在抬腿和着地瞬间,速度、加速度均为0,不会对机身产生冲击。分析结果表明,该四足轮腿式移动机器人运动灵活且平稳,适用于外太空的探测。     

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。     

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.     

轮腿式爬楼梯移动机器人的设计及运动特性分析

针对非结构化复杂环境对移动机器人的运动要求,结合轮式和腿式移动机构的优点,设计了一种高效、稳定的轮腿式爬楼梯移动机器人。设计了机器人的主要结构,分析了机器人的稳定性及转向性能。平地行走、转向、越障、上下楼梯等实验结果表明:设计的轮腿式爬楼梯移动机器人结构简单,运动灵活,控制方便,控制精度高,不需对运行步态进行预先规划,它不仅可以在崎岖不平的环境中实现快速行驶,而且实现了快速稳定的爬楼梯功能,具有很强的越障能力和环境适应能力。     

教学型双足步行机器人直线行走步态稳定规划方法

通过对双足机器人行走步态的研究,利用多项式插值法对双足机器人直线行走步态进行规划,分析了踝关节轨迹和髋关节轨迹,通过调节单腿支撑期和双腿支撑期的比例系数来调整机器人的行走步态,使其实现稳定步行。再通过ADAMS建立虚拟样机仿真实验,验证了这种步态规划方法的正确性与可行性。     

轮腿式复合机器人设计及运动实现

通过机械结构和控制系统设计,研制了轮式和腿式独立运动的轮腿式复合机器人。应用PWM对机器人的关节控制进行了研究。分析了其腿式运动、轮式运动和轮腿变形的过程,并进行了实验验证。结果表明,研制的机器人具有结构简单、易于控制的特点,解决了现有轮腿式机器人运动时与地面摩擦力不够的问题,具有很好的应用前景。     

并联六轮腿机器人机身平稳性控制方法研究

轮腿式机器人在非结构化路面运动时,机身平稳性控制对于提高运动平稳性、降低系统能耗、提高定位与建图精度等具有重要意义。针对并联式六轮腿机器人在通过不规则地形时足端悬空、姿态倾斜、机身晃动等问题,提出一种融合足端力控制器、姿态控制器及重心高度控制器的机身平稳性控制框架。其中,足端力控制器通过阻抗控制算法抑制机器人足端受力因地形变化带来的突变扰动;机身姿态控制器对机身倾斜角进行解耦,并控制各腿的长度补偿机身的偏移量;重心高度控制器根据各腿的伸长量自适应地调节机身高度,保证腿部执行机构具有足够的运动空间。针对三种控制器相互耦合、对外部扰动抑制效果不佳等问题,利用串级控制的思想将三种控制目标统一为力跟踪控制,降低机身振荡的风险。在并联式六轮腿机器人上进行了实验验证,结果表明所提出的控制算法框架能有效抑制外部地形扰动,当机器人以大约0.6 m/s的速度前进时,机身的俯仰角及横滚角保持在-0.7°~0.7°范围内,足端接触力维持在期望力附近,且机身重心高度随地面起伏自适应地调整,确保了机器人的运动平稳性。