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.

Dynamic stability of quadruped robot walking on slope with trot gait

The dynamic stability of a quadruped robot trotting on slope was analyzed.Compared with crawl gait,trot gait can improve walking speed of quadruped robots.When a quadruped robot trots,each leg is in the alternate state of swing phase or supporting phase,and two legs in the diagonal line are in the same phase.The feet in the supporting phase form a supporting region on the ground.When a quadruped robot walks on slope,the vertical distance from zero moment point(ZMP) to the supporting diagonal line is defined as ZMP offset distance.Whether this distance is less than the maximum offset distance or not,the stability of robot trotting on slope can be judged.The foot trajectory was planned with the sinusoidal function.Based on the kinematic analysis,the ZMP offset distance of quadruped robot under different slope angles,step length and step height was calculated,then the reasonable slope angle,step length and step height for quadruped robot trotting on slope to keep dynamic stability can be determined.On the other hand,the posture angle of quadruped robot should be controlled within the desired range.Computer simulations were executed to verify the theoretical analysis.The study will provide reference for determining reasonable step parameters of the quadruped robot.

基于交叉耦合的四足机器人Trot步态控制研究

目的提出一种基于单神经元PID与交叉耦合的联合控制转速的方法,提高少自由度四足机器人行走机构实现Trot步态时的稳定性和协调性。方法通过分析行走机构的结构特点和控制需求,针对行走机构转速控制进行方案设计;对单个行走单元的驱动提出基于单神经元PID算法的控制策略,并在对角两个行走单元的控制系统之间引入交叉耦合控制策略,通过Simulink平台对以上控制方法进行控制仿真并进行实体实验验证。结果基于单神经元PID算法的控制方法比传统控制方法的转速调节时间提高了31.2%;采用单神经元PID算法与交叉耦合控制相结合的控制策略时,同步转速偏差波动幅度降低了28%。结论采用单神经元PID控制算法和交叉耦合控制策略能实现运动的精确控制,并具有良好的抗干扰性和鲁棒性;且两个行走单元能更好地同步协调运转,增强了该机器人的运动平稳性,确保了Trot步态的稳态运行。

基于Trot步态的四足搜救机器人设计

针对四足机器人在运行过程中稳定性较差的问题,设计了一种基于Trot步态的12自由度全肘式四足机器人。首先,建立DH参数坐标系,选定机身平台为基坐标系,并对目标坐标系下的连杆位置坐标进行运动学解算,选定机动性强且运动范围较广的Trot步态;其次,针对搜救场合对腿部构型的需求,完成了机器人的全肘式腿部结构设计,其中髋关节负责侧摆运动,膝关节和踝关节负责俯仰运动;然后,基于Trot步态进行机器人足端轨迹规划,并导入ADAMS软件进行运动仿真分析,给各部件配置合适的参数后,加入各关节的驱动函数。经仿真分析,机器人在多种运动状态下运行平稳,关节输出曲线平滑,站立蹲起时膝关节最大角速度为45(°)/s,前进时整体路线偏移在2.4%以内,足端路线偏移在3.2%以内。最后设计了机器人实物,通过测试机器人的站立、蹲起和前进等动作,验证了所设计四足机器人的稳定性和机动性。

Trot Gait Design and CPG Method for a Quadruped Robot

Developing efficient walking gaits for quadruped robots has intrigued investigators for years. Trot gait, as a fast locomotion gait, has been widely used in robot control. This paper follows the idea of the six determinants of gait and designs a trot gait for a parallel-leg quadruped robot, Baby Elephant. The walking period and step length are set as constants to maintain a relatively fast speed while changing different foot trajectories to test walking quality. Experiments show that kicking leg back improves body stability. Then, a steady and smooth trot gait is designed. Furthermore, inspired by Central Pattern Generators （CPG）, a series CPG model is proposed to achieve robust and dynamic trot gait. It is generally believed that CPG is capable of producing rhythmic movements, such as swimming, walking, and flying, even when isolated from brain and sensory inputs. The proposed CPG model, inspired by the series concept, can automatically learn the previous well-designed trot gait and reproduce it, and has the ability to change its walking frequency online as well. Experiments are done in real world to verify this method.

Trot Gait with Twisting Trunk of a Metamorphic Quadruped Robot

This paper proposes a metamorphic quadruped robot with a moveable trunk, called Origaker I. From the angle view of bionics, the robot can imitate the natural quadrupeds to twist its trunk. As we all know, most natural quadrupeds twist their trunk when running. The twisting trunk must bring significant benefits to their locomotion. Nevertheless there are few researches focusing on running gaits with twisting trunk of quadruped robots. Therefore, this paper investigates the trot gait with twisting trunk. One gait cycle of a lizard with twisting trunk is observed. Apart from the observation, the gait is designed based on the Zero Moment Point （ZMP） method and by con- sidering three points related to the twisting trunk. A simulation and an experiment are carried out to verify the efficiency of the trot gait with twisting trunk. It is found that the twisting trunk helps the quadruped robot get larger stride length and further perform higher lo- comotion speed than that with rigid trunk.

基于多虚拟元件的直腿四足机器人Trot步态控制

为了提高四足机器人在未知复杂地形下的快速平稳通过能力,基于直腿四足机器人模型对机器人着地相控制方法进行了研究。首先,针对在复杂路面下的运动工况,建立了直腿四足机器人的运动学和动力学模型。其次,基于弹簧负载倒立摆动力学特性,在机身多个自由度上引入弹性阻尼等虚拟元件,在着地相过程中实现了对包括前进等在内的多个机身运动自由度的控制。最后,在虚拟样机仿真中实现了机器人在平坦路面和复杂路面下的运动,验证了控制方法的正确性和有效性。通过对仿真结果的分析,总结出两种控制策略在运动平稳性、能耗水平和耦合运动等方面的优劣,为提高机器人在不同运行工况下的综合运动性能奠定了基础。

基于ADAMS与MATLAB的四足机器人的trot步态联合仿真

为节约设计成本,提高设计效率,对四足机器人进行仿真。采用Pro/E建立四足机器人三维模型,将模型导入至虚拟样机软件ADAMS中,建立四足机器人机械模型,并利用Matlab/Simulink工具箱建立控制系统。利用二者之间的接口实现联合仿真,验证了设计方案的可行性。

四足机器人Trot步态简化模型控制方法

基于负载弹簧倒立摆模型(SLIP模型),建立了四足机器人Trot(对角小跑)步态平面模型。针对复杂的四足机器人系统,通过对四足机器人动力学模型、动力学特性的分析,基于控制目标分解思想及PID控制策略,对系统的前进速度、弹跳高度及俯仰角,分别设计了有效的控制方法,即三分控制法。此外,对三分控制法的控制参数配置规律进行了充分的研究,给出了控制参数配置策略。

基于ADAMS的四足机器人trot步态仿真

利用三维建模软件Catia设计建立了每条腿有两个自由度的四足机器人简化模型,将此模型导入虚拟样机分析软件ADAMS中生成虚拟样机模型。运用合理的驱动函数对四足机器人的关节进行驱动,使其符合trot步态的特征。验证了此结构设计方案的可行性,为详细的结构设计和控制提供了参考。

四足机器人Trot步态的偏航运动控制

为解决四足机器人Trot步态的偏航运动控制问题,借鉴两轮差速驱动的原理将机身的运动分解为两着地腿的运动,再基于弹簧倒立摆模型对单个着地腿的前进速度和侧移速度进行控制,最后通过控制两着地腿的运动来控制机器人整体的运动,从而实现对机器人偏航角的控制。基于这种思想,可以对偏航角、前进速度和侧移速度的控制进行统一设计,简化了基于三维模型的四足机器人运动控制的难度。在虚拟样机中进行仿真实验,发现控制方法在前进速度为零和非零时都能对偏航角进行很好的控制。

四足机器人侧摆型trot步态的运动学分析及仿真研究

针对四足机器人在复杂环境中难以保持稳定行走姿态的问题,在四足机器人trot步态的基础上,改进设计了一种侧摆型trot步态,通过四足机器人侧摆肩关节处电机对四足机器人的步态进行规律调整,使四足机器人在行走过程中更易保持稳定姿态。首先对侧摆型trot步态进行步态规划,分析侧摆型trot步态的稳定性;然后根据D-H参数法建立四足机器人单腿运动学模型并进行运动学分析求解;最后在MATLAB/Simulink软件中建立四足机器人动态仿真模型,以复合摆线运动轨迹为例,对侧摆型trot步态进行运动特性仿真分析。结果表明,基于复合摆线的侧摆型trot步态运动轨迹曲线连续平滑,四足机器人运动平稳。通过侧摆型trot步态仿真分析,验证了所研究侧摆型trot步态的稳定性和合理性,可以为搭建实验样机控制系统提供理论依据。

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析四足机器人运动的稳定性。对比仿真结果表明:采用优化后的足端轨迹、优选后的足端初始位置的四足机器人,对角步态运动更为稳定。

四足机器人Trot步态偏航分析及其控制

为了解决四足机器人在对角小跑步态中存在的绕对角线翻转而导致在直线行走时出现偏航问题,在理论分析偏航现象的基础上提出一种姿态控制方法。首先建立四足机器人整体运动模型,通过数值分析和计算,得到偏航产生的根本原因:一是机体由于重力影响,会产生绕支撑对角线的翻转力矩;二是处于支撑相时,髋关节产生的反作用力矩,导致步态时序会提前或延后,引起绕机体对角线翻转。然后在此基础上,建立姿态控制模型,通过传感器测得偏航值,反方向补偿其偏航。最后进行动力学仿真实验,发现机器人在不加姿态控制的情况下,出现较大偏航值,而在应用姿态控制之后,偏航值得到了明显改善,仿真实验对比证明了该姿态控制方法有效地解决偏航问题。

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。

基于Trot步态的四足机器人轨迹规划与仿真

文章针对四足机器人Trot步态进行研究,为提高四足机器人的运动稳定性,规划了三种足端轨迹,并进行仿真比较。首先,使用D-H法对四足机器人进行了单腿正、逆运动学分析,得到了关节角与足端位姿的关系,再使用MATLAB软件进行验证。其次,基于足端零冲击原理,规划了复合摆线、三次多项式、带有后摆动作的五次多项式三种足端轨迹,最后,通过MATLAB与ADAMS软件进行联合仿真,根据质心稳定原理,选出了最优轨迹,证明了后摆五次多项式轨迹的优越性,实现了四足机器人Trot步态的稳定行走。

基于余弦振荡器的四足机器人trot步态仿真

在四足机器人常见的trot步态行走的研究中,为提高机器人在复杂环境下的适应性,设计了中枢模式发生器运动控制模型。利用余弦函数构建CPG的振荡器,建立了两层的CPG网络模型。第一层由四个具有固定相位差的振荡器分别控制机器人的四个髋关节,第二层通过建立膝髋关节之间的映射关系控制膝关节,实现了四足机器人trot步态直线行走以及跨越沟壑行走。利用SolidWroks软件建立四足机器人三维模型,并导入ADAMS中建立虚拟样机进行动力学仿真,实验结果表明,余弦函数振荡器能够实现四足机器人trot步态行走。

基于Trot步态的液压四足机器人关节驱动力仿真分析

采用液压能代替传统的电能驱动机器人的功率密度高、控制算法简单,输出转矩较大,负载能力强。以液压四足机器人为参考对象,利用SolidWorks建立四足机器人的三维模型,并利用MATLAB,ADAMS搭建联合仿真平台,采用联合仿真的方法研究其在对角(Trot)步态行走过程中步态参数对液压四足机器人关节驱动力的影响,通过参数优化使得关节驱动力对液压系统的影响最小,从而能够实现四足机器人的稳定行走,同时,也为四足机器人液压系统设计提供了理论分析依据。

四足机器人trot步态联合仿真分析

以四足机器人为研究对象,利用SolidWorks建立四足机器人的简化模型,并利用MATLAB、ADAMS搭建联合仿真平台,采用联合仿真的方法,通过不断调整轨迹参数,实现了该机器人稳定的trot步态行走,验证该结构的合理性以及稳定性。通过联合仿真可以方便地进行参数优化,得到设计物理样机所需的数据,大大提高了设计效率。

基于trot步态的四足机器人直线与转弯运动研究

针对四足机器人的直线运动与转弯运动,以trot步态为基础,分别对其进行了步态规划。对于直线运动,先建立四足机器人简化模型,然后用解析法对四足机器人进行逆运动学求解,再用双摆线进行足端轨迹规划,之后用零冲击原则对足端轨迹进行优化,最后仿真实验验证了优化后的足端轨迹使得直线运动更平稳。对于转弯运动,先建立四足机器人简化模型,然后进行正、逆运动学求解,再对其每个周期的起始足端点和足端轨迹进行设计,之后用三维复合摆线进行足端轨迹规划,再用零力矩点法进行轨迹优化,最后仿真实验验证了该方法对于转弯运动的有效性。