四足机器人仿生腿结构特性及其控制系统研究

针对四足机器人整机对单个支撑腿的要求,对机械腿结构特性和控制系统展开研究。基于对四足动物腿部生理结构分析,提出具有两个主动关节和一个被动关节的四足机器人仿生腿结构,并完成运动学特性分析。通过分析仿生四足机器人控制系统功能与性能要求,提出具有开放性、模块化和结构紧凑特点的仿生四足机器人控制系统方案,基于DSP设计并实现仿生腿控制系统。实验证明仿生腿结构合理,控制系统稳定可靠且具有良好的扩展性,仿生腿系统可作为下层模块集成到仿生四足机器人系统。

主动腰部四足机器人控制系统与跳跃步态研究

四足动物在快速奔跑中会采用跳跃步态,而跳跃步态中腰部的伸缩运动又对速度的提升具有重大影响。针对跳跃步态中腰部摆动对速度的影响,设计了带有腰部主动关节的小型四足机器人,采用了舵机作为髋关节主动驱动器和弹簧作为膝关节被动驱动器,使腿部具有一个主动自由度和一个被动自由度。以STM32芯片为中央处理器设计了包括复位、通信和舵机驱动等功能模块的控制系统。通过软件设计,在实验中实现了四足机器人跳跃步态下的稳定运动和较好的仿生运动现象,验证了控制系统的有效性,观察到了腰部主动关节对四足机器人跳跃运动中的速度影响作用。

四足机器人柔性脊柱的设计及分析

针对传统刚性机体四足机器人无法做到与四足哺乳动物一样快速、灵活和稳定运动的问题,提出了一种基于串联弹性驱动器的双关节串联柔性脊柱机构,并围绕其结构特性、力伺服控制和系统集成展开研究。基于脊柱在四足哺乳动物高速运动状态下的运动与形态,分析脊柱关节在四足机器人运动过程中的运动与受力情况。建立柔性脊柱关节的力源法动力学模型,通过仿真分析关节等效刚度对系统稳定性、动态响应特性的影响。对脊柱关节输出力矩采用PID控制,通过Matlab进行控制仿真分析。仿真和实验结果表明:串联柔性脊柱具有较高的力矩跟踪精度,脊柱机构及其控制系统稳定可靠。