基于视觉的闭链多足机器人自主运动控制方法

闭链多足机器人环境适应性强、稳定性高,具备复杂户外环境下运动的潜力,然而现有基于模型的控制方法难以主动获取地形信息,在复杂户外环境中自主行走难度大;基于视觉的方法能够主动获取环境信息,但难以根据地形自主切换步态。为此,提出了基于视觉的闭链多足机器人自主运动控制方法,建立了从视觉图像到步态的直接映射。主要内容包括:通过运动学分析和数据拟合建立运动学模型和越障策略;采用融合YOLACT++的地形可通行域划分算法,基于中点像素采样法在可通域内生成导航路径。为验证所提方法,搭建了多地形组合仿真场景和实际场景并进行实验,结果表明闭链多足机器人能够在陌生环境下自主行走,且能够根据地形切换步态。

基于弹簧负载倒立摆模型的闭链弹性仿生腿设计

基于弹簧负载倒立摆(SLIP)模型的结构特性,提出一种面向高速奔跑的新型仿生闭链弹性腿结构。以猎豹的腿部骨骼肌肉系统为仿生对象,基于Stephensen-Ⅲ型连杆机构的构型进行演化设计,在腿部杆件结构中加入弹簧,并引入两杆三副,构建一种符合SLIP模型结构和弹性特性的八杆十副腿部机构。基于闭环矢量法对腿部机构进行运动学分析,采用对称弯月形曲线作为期望足端轨迹,提出一种将机构尺度综合分为腿部骨骼尺寸设计与曲柄摇杆尺寸优化的设计方法,得到了满足期望足端轨迹的结构尺寸。进一步采用拉格朗日动力学方程描述单腿足端地面反作用力与驱动力之间的关系。应用Adams软件建立动力学仿真模型,进行质心速度、质心垂直位移、弹簧变形量等仿真分析。经构型设计、运动学分析、动力学仿真和结构设计,验证了该新型闭链弹性仿生腿可实现快速的奔跑步态。

多模式两轮移动机器人的设计与运动分析

提出一种具有可变形车身的多模式两轮移动机器人。以平面6R单环闭链连杆机构为车身,通过控制其变形运动,使机器人具有折展模式和三种移动模式。在折展模式下,折叠状态时用于储运和携带,展开状态时启动工作模式。在两轮移动模式下,车身变形形成车尾支撑实现稳定移动,通过调整轮距和车尾长度以增强其地面适应性。在攀爬越障模式下,通过车身变形至类爪状以增强对障碍物的攀附作用,实现台阶越障。在类履滚动模式下,通过杆件在地面交替铺展支撑以增加与地面接触面,实现在不平整或松软路面上的滚动。对所设计构型进行自由度分析和驱动配置。建立运动学模型,分析机器人运动参数并对其进行步态规划。建立动力学仿真模型,验证预设步态合理性。研制一台样机,对其折展模式和三种移动模式进行可行性验证。

一种新型可调整闭链多足机器人的设计与分析

针对单自由度闭链腿部机构足端轨迹单一导致机器人的地面适应性不足,提出一种新型可调整闭链腿部机构。以Klann六杆机构为构型基础,增加一个使其机架铰链转动的自由度,实现了铰链位置的调整。用此方法获得足端轨迹的连续性变化,从而可在纵向上提高抬腿高度以增强越障能力,同时可在横向上改变跨步距以实现逼近目标点的规划,并且还可通过切地角度的调节降低爬坡过渡段的足端冲击。此种腿部机构在行走时由一个电动机驱动,可维持其单自由度特性,在少驱动数目、高结构刚度以及大承载能力方面具有性能优势。进行腿部机构的构型设计、运动学分析以及以最大抬腿高度为目标的参数优化。在此基础上构建八足机器人,建立足端轨迹簇并进行轨迹的参数分析,开展行走策略的研究。制作一台样机,针对典型地面环境开展适应性试验,验证了设计的可行性。

闭链多足移动系统足地接触轮廓曲线设计方法

提出一种闭链多足移动系统的足地接触轮廓曲线设计方法,用于补偿在行走过程中因闭链连杆机构的足端轨迹不可调整而导致的机身垂向位移波动,从而有效提高移动速度并提升驱动效率。首先,针对由曲柄驱动的闭链多足移动系统进行运动特性分析,获得机身垂向位移波动与最大有效步频之间的函数关系,确定机身垂向位移波动幅值为限制移动速度提升的关键因素。其次,采用矢量环路法建立并求解机械腿的运动学模型,基于反转法原理在小腿坐标系下构造与机身固定的虚拟地面,由运动周期内小腿位姿随曲柄相位的连续变化形成虚拟地面直线簇,求解包络线方程得到足地接触轮廓曲线。然后,根据轮廓曲线的补偿相位进行闭链多足移动系统的整机布置设计,并基于ADAMS软件进行垂向位移波动、行走速度和缓坡负重行走的动力学仿真分析。最后,设计制作原理样机并开展平地测速试验和缓坡负重行走试验,验证了应用所提足地接触轮廓曲线设计方法补偿机身垂向位移波动以提升行走速度和驱动效率的可行性。