仿平衡囊的四足机器人机体结构设计及分析

为提升四足机器人的平衡性和抗干扰能力,根据平衡囊运动原理引入动量轮机构,设计了一种基于平衡囊原理的四足机器人机体结构。对平衡囊调整姿态平衡的运动过程进行描述,采用欧拉角来说明四足机器人机体坐标系与世界坐标系的指向关系,以D-H法建立四足机器人腿部结构运动学模型;从拉格朗日方程出发,推导机体的姿态动力学模型和四足机器人系统动力学模型;利用Adams软件对仿平衡囊的四足机器人进行仿真分析,结果表明,动量轮能够明显提升四足机器人的运动平衡能力,同时有效降低腿部各关节输出力矩,从而验证该设计的合理性。

四足机器人腾空跳跃的轨迹优化与控制方法

针对四足机器人难以跨越大尺寸障碍物的问题,提出了一种仿生腾空跳跃的轨迹优化控制方法 .首先,对马里努阿犬的越障运动进行测试和仿生学分析,得到腾空跳跃的参考轨迹.其次,根据摩擦锥、轨迹平滑、运动学和动力学等约束条件,基于轨迹优化的方法对仿生参考轨迹进行离线优化,生成四足机器人的期望跳跃轨迹,得到跳跃所需的足端位置、关节力矩和关节角度序列.再次,设计分阶段的跳跃控制器,采用关节和质心PD(Proportional Derivative)的组合控制策略,实现对期望跳跃轨迹的跟踪,采用变刚度虚拟模型控制实现对落地姿态的调整和足底力的缓冲.最后,在Webots仿真环境中完成了1 m高度的自由落地和跳跃0.75 m高度桌子的仿真实验.研究结果表明:仿生轨迹优化与控制算法能够使四足机器人跳跃大尺寸障碍物并且具有平稳落地的效果,对于提高四足机器人的高性能运动能力以及拓展其应用环境具有参考价值.

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。

可侧摆四足机器人腿部设计与仿真

针对单腿自由度为二的四足机器人单腿运动范围小的问题,对腿部结构进行改进,增加了横滚髋关节以扩大运动范围;通过SolidWorks设计四足机器人三维结构并用ANSYS进行有限元分析,对四足机器人大腿、小腿结构进行优化,验证了设计零件满足受力要求;利用D-H法建立运动学模型,对单腿进行正、逆运动学的理论计算及验证;通过MATLAB的机器人工具箱分析了工作空间并进行轨迹规划,获取了关节角度变化数据,验证了此四足机器人腿部结构设计的有效性和可行性。

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。

基于语音交互的四足机器人多模式控制实验设计

针对四足机器人全向运动控制、步态与行为切换、人员跟随、自主导航等多模式运动中的人机交互难题,设计了1套基于语音识别与指令解析的四足机器人交互控制系统。明确了四足机器人语音交互系统的硬件组成,并搭建了包含语音采集、识别、解析、播报一体的交互模块;基于SOFM网络设计了语音识别算法;基于ROS建立了语音模块与机器人运动控制模块的通信交互机制,实现了语音指令下达与机器人状态信息播报反馈。通过一系列四足机器人语音交互控制实验,验证了在动态场景下机器人的语音识别准确率高于85%,而在静态场景下则超过95%,保障了四足机器人不同运动模式的准确运动控制。

液压四足机器人油源流量自适应控制研究

在保证机器人正常运行的前提下,为了控制方便,通常液压四足机器人的油源采用恒压恒流的供能方式,这将会导致机器人驱动功率远低于油源提供的功率,造成了严重的能源浪费。为了减小能量损失,提出变流量动态供油策略。介绍油源的变流量控制基本原理,通过负载预测得到各个液压缸速度大小,再结合阀控缸的数学模型推算出单腿在运动过程中实时供油流量需求,并建立仿真模型与机器人样机实验验证流量自适应控制的有效性。实验结果表明:利用油源流量自适应控制策略,液压四足机器人的节能效率相比恒流量供能系统提高了56.51%。

可重构仿生四足机器人倾覆后恢复机理与特性研究

农业环境起伏多变,边界模糊,大多呈非结构化分布。四足机器人在复杂农业环境中作业时,易出现因倾覆失去运动能力的情况,因此机器人需具备倾覆后自我恢复能力。传统四足机器人倾覆后恢复多数依靠腿部运动来实现,而可重构四足机器人,可通过躯干与腿部协调运动来实现倾覆后自我恢复。本文基于可重构躯干构型多变,得到了多种仿生形态的可重构四足机器人,规划了基于可重构理论的倾覆后恢复机理。对比倾覆后可重构机器人利用躯干拱起折叠和单侧翻转折叠两种恢复方式,分析R1型、R2型可重构四足机器人恢复的运动特性。利用软件ADAMS进行仿真,对仿真数据进行分析,证明了可重构躯干比刚性躯干更有效地减少了恢复过程中的冲击。最后设计样机并进行实验,验证机理实施的可行性与稳定性,研究结果表明其可降低实现静态自我恢复的难度。

基于四足机器人的工业仪表数字识别方法研究

在工业现场自主巡检中,由于定位误差和光线角度等因素的影响,使得四足机器人仅依靠机器视觉难以实现高精度的仪表数字识别。针对上述问题,提出一种结合移动机器人运动的工业仪表数字识别方法。该方法首先基于图像感知的四足机器人控制策略实现仪表对准,来获取大小适中的仪表图片,进而使用改进自动色彩均衡(ACE)算法提高图片清晰度,并使用改进高效准确的场景文本(EAST)检测器来优化仪表数字漏检情况,最后获得仪表数字识别结果。在基于四足机器人的工业巡检实验平台中验证了该识别方法,实验结果表明上述方法对工业仪表数字识别准确率达97.75%。

基于模型的四足机器人步态转换控制研究

为了解决基于模型的控制方法在四足机器人步态转换过程中稳定控制问题,本文在仿生学和机构学基础上设计了一款四足机器人样机平台,并推导了机器人单腿运动学模型。在足端可达工作空间内规划了机器人抬腿高度和迈步步长,利用理想的复合摆线轨迹,通过合理控制步态周期,提出了一种过渡段变周期控制方法,实现了步态转换前后定速度控制和变步长控制,保证了步态转换前后速度不变或可变。为了验证所提算法的正确性和稳定性,分别开展了单腿足端轨迹实验和整机步态转换实验。在完成整机运动控制的基础上,对比了基于模型的控制方式和基于中枢模式发生器的控制方式在四足机器人步态转换过程的应用。仿真和实验结果表明,在基于模型的控制算法下,四足机器人可以实现步态的平滑转换,且速度能伴随步长和周期的变化实现调节,满足了不同速度下的行走要求,为四足机器的运动控制提供了参考。

基于模型预测控制的四足机器人面向复杂地形自适应调整算法与实现

为解决四足机器人在海上FPSO巡检过程中因海浪波动等外界因素导致机身存在不平稳的问题,实现四足机器人在有环境干扰情况下的自适应稳定行走,在利用IMU数据的基础上,设计了以模型预测控制为基础的位姿闭环控制策略。通过运动学建模及引入姿态矩阵建立机器人整体坐标系,实现机器人的位姿控制与坐标映射;由惯性测量单元(IMU)测得机器人运动时的姿态参数,通过设计的基于模型预测控制的躯干姿态闭环控制调整算法,实现了机器人在环境干扰过程中躯干姿态的自适应调整。在仿真环境、实验室环境及现场环境下,验证了所提算法的可行性和有效性。实验结果表明,所提的闭环控制策略提高了机器人在波动环境下的稳定性,实现了四足机器人的自适应姿态调整。

基于优化紧耦合VIO的四足机器人精准定位研究

针对足式机器人仅依靠自身腿足式结构获取里程信息难于实现其精确定位这一问题,基于优化思想将双目视觉获取的图像特征信息和惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的惯性数据进行有效融合,提出一种紧耦合的双目视觉惯性里程计技术,实现四足机器人的室内外精准定位。该技术的突出优势在于,它既能有效缓解机器人移动速度过快导致的图像模糊以及动态场景的错误匹配问题,又能有效抑制惯性测量的漂移。利用实验室的四足机器人搭建物理平台进行实验验证,结果表明,无论是在室内还是室外环境下,设计的视觉惯性里程计都可实现四足机器人的高精度、高鲁棒性定位,即实验结果验证了所提方法的可行性与有效性。

使用质心规划的四足机器人爬行步态优化控制方法

在四足机器人爬行步态中,由于在同一时刻有三条腿处于支撑相,步频较低、质心的位置波动较大,且控制系统实时计算量庞大。单独使用虚拟模型控制(VMC)或模型预测控制(MPC)方法对四足机器人的爬行步态(WALK)的控制效果欠佳,针对四足机器人的爬行步态提出了一种新的控制方案。首先使用基于二次优化的VMC进行机器人的足底支反力计算,构建机器人基本的运动控制模型,然后根据爬行步态的特点,对机器人的质心进行了基于MPC的轨迹规划,并将规划结果送入VMC求解器中迭代求解,从而得到机身期望的姿态和足底力。在仿真模型中检验后将此控制算法应用于物理样机进行试验。实验结果表明,该控制方案大幅度提高了四足机器人爬行步态的稳定性、减少了控制系统实时计算时间。

狭小检测空间下多传感融合四足机器人自主导航策略

针对狭小检测空间的机器人巡检任务需求,提出多传感适时融合的小型四足机器人自主导航策略。采用惯性测量单元和激光测距传感器进行卡尔曼适时融合滤波获取机器人位姿;引入模型预测控制实现对期望路径的高精度鲁棒跟踪,完成机器人狭小空间内的自主导航目标。试验验证表明:机器人实际行进路径与期望路径的吻合度较好,基于该策略可以实现小型四足机器人在狭小空间的自主导航目标。

太阳能驱动的垃圾分类回收四足机器人

我国是垃圾产生大国,人们的垃圾分类意识淡薄,随意丢弃的垃圾分布范围广且有些垃圾不便于人工捡取。然而现有的垃圾分类回收装置存在外形笨重,续航能力差,耗能高,识别准确率低,速度慢,与回收环节难以高效对接等缺点。为此,设计了一款太阳能驱动的垃圾分类回收四足机器人,它的核心部分包括动力系统、运动系统、垃圾捡取机构、垃圾分类回收装置、倾倒装置、控制系统。其中太阳能发电装置将太阳能转化为电能驱动四足机器人工作,视觉检测装置检测并识别垃圾,垃圾捡取装置捡取垃圾并放入垃圾分类存储装置中,实现垃圾的智能分类回收。相比于现行的垃圾分类回收装置,该产品体积小,灵活度高,制造成本低,在提高日常垃圾回收效率的同时节约了时间和人力,拥有较高的推广价值。

基于改进RRT算法的四足机器人路径规划

针对四足机器人使用RRT算法进行路径规划存在地图探索能力弱、转向角度大且不连续、不满足四足机器人运动学模型的问题,提出一种结合四足机器人自身模型约束的RRT路径规划算法:考虑四足机器人自身运动学约束与自身体积,使用局部贝塞尔曲线化对转折处进行优化;利用全局自适应步长、节点自我更新、增加目标偏置,提升算法搜索效率。四足机器人的仿真实验结果表明,改进RRT算法生成的路径可行性强、运行效率高,满足四足机器人在实际工程中对路径的要求,到达目的地的时间大幅降低。

四足机器人对角小跑步态运动仿真

针对四足机器人运动过程存在稳定性问题,基于SolidWorks设计了一种单腿三自由度的四足机器人。根据仿生原理设定四足机器人的基本参数,由四足机器人各关节的运动特点选定合适的驱动方式。运用D-H参数法建立机器人的运动模型,推导运动学方程,随后通过ADAMS创建机器人的虚拟模型,以关节角度变化数据作为驱动,对四足机器人进行对角小跑步态动力学仿真,得到单腿运动学参数的变化曲线,为驱动原件的选型提供了依据。

基于虚拟模型的四足机器人控制研究

为了提高四足机器人运动时的稳定性,本文在传统虚拟模型控制的基础上,利用四足机器人整体的三维受力模型和速度估计方法完成支撑腿的虚拟力的计算。通过雅可比矩阵建立足端虚拟力和关节力的映射关系,实时规划期望摆动腿的运动轨迹,并利用虚拟构件将摆动腿的足端坐标与期望的摆动轨迹连接起来,通过两者的误差实现对摆动腿的虚拟模型控制。在ROS中的Gazebo建立四足机器人的动态仿真模型并进行仿真,并完成了四足机器人实体实验,结果表明该控制方法能够有效的控制四足机器人稳定运动。

四足机器人倾斜平面运动稳定控制研究

为解决四足机器人在倾斜平面场景下运动时会出现运动不稳定的问题,在MPC控制算法中提出新的误差补偿策略,判断四足机器人控制系统中当前的误差变化情况,控制误差补偿,提高四足机器人运动稳定性;再引入分数阶次幂运算结合预测模型中的预测步长提高调节频率,增强控制系统调节的实时性。利用MATLAB软件对该方法进行仿真,仿真结果表明:提出的方法可以有效解决四足机器人运动不稳定问题,在运动精度上有明显的提高,能在不同倾角斜面中稳定运行,验证了改进方法的有效性和正确性。

仿生四足机器人的足端步态设计

仿生机器人是有效推进工业生产的转型升级,实现从“制造”到“智造”的关键,也是国家间竞争的硬科技。本文通过3D打印复合材料力学性能、Gazebo仿真软件分析技术等,对仿生四足机器人的足端工艺、步态设计、足端轨迹运动等进行优化,以期促进仿真四足机器人在崎岖路面的稳定行走,不断深度融入工业领域,推动传统工业模式快速向数字化、智能化、自动化转型升级。