面向移动作业的腿足机器人数字孪生系统

针对移动作业中的腿足机器人,结合数字孪生技术,设计整机系统的体系结构、模块结构、硬件框架和软件框架,通过集成多个传感器输入和数据源,可在移动场景下获得可靠准确的环境状态和机器人状态.基于点线特征匹配理论,优化腿足机器人的自主定位精度和鲁棒性,结合环境建模数据实现高效里程计和实时移动建图.提出建立数字孪生模型的通用方法,并通过误差补偿保证机器人数字孪生体的运动状态与实际机器人的运动状态高度一致.在数据集和真实机器人上进行实验,结果表明所提出的数字孪生系统不仅能够在不同的腿足机器人平台上稳定高效运行,而且能够保证实时状态反馈和里程计定位精度.与ORB-SLAM3相比,内存开销降低约68.7%,CPU使用率降低约17.8%.硬件实验表明,通信延迟与网络延迟基本一致,约为30 ms,有助于提高任务执行效率.

四足机器人仿生腿增强碳纤维3D打印技术及其实验研究

为了提高四足机器人仿生腿的使用性能,使其腿部结构满足高承载、轻量化要求,提出一种以连续碳纤维(CCF)为增强材料,以短切碳纤维增强尼龙为基体材料的混合增强3D打印技术,通过样条拉伸实验对碳纤维复合材料的伸性能进行了验证。使用连续与短切碳纤维混合增强3D打印制备四足机器人仿生腿,对四足机器人常见4种工况进行了静力学仿真,选取两类典型工况进行载荷测试实验,可知在站立工况下承载力提升了19.05%,变形量减少了50.70%,在30°外展工况下承载力提升了3.14%,变形量减少了43.05%,且重量减轻了18.83%,验证了连续碳纤增强材料替代传统铝合金材料的可能性。

两侧对称式六足轮腿机器人的设计与分析

针对目前轮腿式机器人在复杂路况下越障时机身稳定性有限的问题,利用SolidWorks 2020软件创建三维模型,采用轮腿复合结构,根据依次步态运动方式对机器人的运动过程进行策略规划,设计出一种两侧轮腿对称分布的六足机器人。实验表明,在舵机的控制下,该六足机器人既可以在水平路面进行轮式行驶与转向,又可以进行机械轮腿式行走与转向,且在运动状态下能维持机身稳定。

基于自适应差分进化算法的腿履四足机器人稳定性优化

针对腿履复合式四足机器人处于Trot步态时,由于大腿复合结构部分摆动不稳定所引起的重心偏移问题,采用基于自适应差分进化算法优化。利用Hopf模型中的振荡器构建中央模式发生器网络拓扑结构;借助自适应差分进化算法,通过多次迭代可迅速找到输出模型的最佳参数组合,以减少重心偏移量和机体姿态角,解决了重心偏移导致的稳定性问题。通过ADAMS和MATLAB进行仿真实验验证提出的优化方法,结果表明:该方法能够高效地寻找到全局最佳参数,使腿履复合四足机器人能够展现出优秀的运动性能。

一种新型轮腿四足机器人腿部机构结构参数优化

目前对于躯体宽度可变、具有腰关节的轮腿四足机器人的研究相对较少,针对这一问题,提出了一种新型轮腿四足机器人,对该机器人的腿部机构结构参数尺寸进行了优化研究。采用Solidworks软件建立了四足机器人的整机模型及腿部结构模型;对机器人腿部机构进行了运动学分析,推导出了其腿部机构的位置正反解公式,并利用MATLAB对位置正反解公式进行了验证;利用蒙特·卡罗方法求解出了足端工作空间,分析了腿部各结构尺寸参数对足端工作空间的影响规律,并总结出了影响工作空间的主要参数;以工作空间为优化指标,利用遗传算法对其主要结构参数进行了优化。研究结果表明:推导的运动学正反解公式正确;腿部机构的工作空间形状满足机器人行走要求;影响腿部机构空间的主要结构参数是r_(0)、r_(2)、r_(4)、l_(1);优化后的结构参数使其工作空间体积增大了68%。

四足机器人整机非线性模型预测控制

四足机器人运动控制的研究对于推动机器人技术的发展具有重要意义。提出了一种以非线性模型预测控制(NMPC)和整机控制(WBC)结合的四足机器人运动控制算法。为了提高计算效率,将四足机器人的本体假设为一个单刚体模型(SRBD),为了使四足机器人的运动控制更为稳定和精准,使用实时迭代的方案,让NMPC以25 Hz的频率进行在线规划,WBC以500 Hz的频率实时控制机器人运动状态。通过在仿真环境中的机器人全向行走,验证了NMPC和WBC结合的四足机器人运动控制算法的有效性和优越性。

偏心圆腿六足机器人控制电路设计

介绍了偏心圆腿六足机器人的控制电路设计,该电路采用模块化设计方法.控制电路分别由MCU核心电路、电源电路、红外接收与解码电路、信号采集电路和驱动控制电路共5个部分组成,其中MCU作为可编程核心器件控制整个系统工作.实验验证,该控制电路能满足偏心圆腿六足机器人的控制需要,从而保证了系统的可靠性、稳定性和可扩展性,为后继的研究奠定了基础.

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。

偏心轮腿六足机器人三足步态的静态稳定性分析

利用重心投影法,从偏心轮腿六足机器人的机身和三足步态的特点入手,分析了该机器人在使用三足步态行走时的特点,并论证了偏心轮腿六足机器人的三足步态具有静态稳定性的特点.

偏心轮腿六足机器人四足步态规划

提出了一种适用于偏心轮腿六足机器人的直行四足步态规划.以一个运动周期为例,分析了偏心轮腿六足机器人直行过程中5个阶段的运动状态,以及每个运动状态中偏心轮腿步态的参数变化并用状态矩阵加以描述.将该步态用于所设计的偏心轮腿六足机器人,在驱动电机的控制下,能保证机器人的直行前进.

足式机器人单腿跳跃仿真与实验

针对跳跃运动足地冲击大的特点,基于仿生学设计一种液压驱动四足机器人单腿,分别建立单腿着地相和飞行相的运动学和动力学模型。为了满足单腿跳跃性能要求和减少足地冲击,提出基于三次曲线轨迹跟踪的跳跃方法。使用MSC.ADAMS和Simulink对单腿竖直跳跃过程进行仿真,并搭建了单腿竖直跳跃实验平台和闭环控制系统。

足腿式机器人虚拟机身模拟测试平台

针对现有足腿式机器人测试平台自由度少且缺乏变负载测试能力的问题,设计了“3+3”构型测试平台,并提出了一种非线性导纳控制策略,实现测试平台对待测单腿的动态力加载,模拟机身对单腿的力作用。建立“3+3”运动学模型;设计导纳控制器将测试平台与待测单腿间的交互力转化为期望的运动轨迹;引入非线性期望阻尼与期望刚度提升动态力跟随性能。结果表明,非线性导纳控制策略较经典导纳控制策略动态力跟随性能有明显改善,实现测试平台对单腿较准确地动态力加载;通过多自由度复合加载较真实地模拟出足腿机器人机身对单腿的动态力交互过程。

腿足式救援机器人运动控制算法分析与展望

介绍了当前国内外腿足式救援机器人的模型控制算法、仿生控制算法和机器学习控制算法,对3种控制算法的应用特点和场景进行了优缺点分析。指出了腿足式救援机器人控制技术未来的2个发展方向是多控制算法融合和控制算法高效规划。

电驱足式机器人关节作动器研究综述

机器人关节作动器性能的好坏是保证机器人高性能运作的关键。该文首先介绍了机器人的主要分类:轮式、履带式和腿足式;然后简述了机器人的主要驱动方式:气驱动、液压驱动和电驱动;接着从结构构成、主要优缺点和应用场景等方面详细阐明了电驱足式机器人的三类主流关节作动器,并结合现有典型关节作动器产品分析其电机本体与控制的方案差异,归纳了目前主要面临的研究难点与现有解决方案;最后对电驱足式机器人关节作动器技术的发展给出了总结和展望。

基于增材制造旋转直驱伺服阀的肢腿运动单元位置控制研究

液压腿足式机器人因其可承受大负载、具有更高的速度上限等优势被广泛应用于物资搬运、地形侦查等场景。伺服阀作为液压系统中的控制元件,与机器人作业过程的运动稳定性、地形适应性、节能等方面都存在着密切关联。目前腿足式机器人系统普遍应用喷嘴挡板式伺服阀,不同阀型号的选择往往只需要满足阀的频响、压力、流量等指标,并且伺服阀的数学模型也通常近似为低阶环节,这在设计中弱化了伺服阀对系统的影响。为探究不同结构伺服阀与控制系统最佳匹配问题,研究了增材制造旋转直驱式伺服阀在机器人位置控制系统中的性能,并将其与传统喷嘴式挡板阀作比较,分别建立其数学模型并在单腿试验台上完成实验验证。结果表明,在相同的流量压力需求下,应用旋转直驱阀的控制系统足端阶跃响应时间减少了14%,足端正弦轨迹跟踪误差减少了21%。

用于腿足式机器人落地缓冲的复合控制策略

针对腿足式机器人的腿部运动模式,提出一种变刚度落地缓冲策略,对机器人躯干质心处预期的冲击进行规划,针对不同落地阶段采用不同控制方式。在缓冲阶段,通过躯干加速度规划的方式计算预期足底力,将该力映射到关节空间。在其他阶段,采用比例微分(proportional differential,PD)控制与滑模控制(sliding mode control,SMC)相结合的方式,保证运动的快速性和稳定性,并用李雅普诺夫第二法证明稳定性。试验表明,机器人质心在1.65 m处下落,该方法可使足地冲击小于1.7g。此冲击力与人上台阶的冲击力相近,说明该方法可起到良好的缓冲效果。

六足机器人攀爬楼梯的路径优化步态控制

针对C型腿六足机器人攀爬楼梯的步态研究,基于影响机器人攀爬成功性与效率的关键因素分析,提出了一种实现优化攀爬路径的步态控制方法.构建了C型腿六足机器人攀爬楼梯过程的仿真环境与力学模型;研究了机器人底盘与楼梯面呈最大角度时,其质心位置对其攀爬楼梯的决定性作用;分析了机器人中间足与楼梯面的接触位置对机器人运动效率的重要影响.当六足机器人步态满足连续攀爬楼梯的基本条件时,其攀爬路径被分成两个部分进行优化,进而研究了机器人路径优化时的步态.仿真和实验验证结果表明了所提的步态能使C型腿六足机器人成功并高效地爬升多级楼梯,验证了该步态的可靠性和有效性.

Wheeled foot quadruped robot HITAN-I

In view of the robot running environment, the structure of wheeled foot and quadruped are adopted in this robot system, which combines the priorities of both wheeled robot and legged robot. Based on CAN bus, the two-class robot control system using multiple controllers and drivers is constructed. At the same time, serial inverse kinematics of swaying leg and parallel inverse kinematics of supporting legs are analyzed independently. The forward gait and turning gait are planned and experiment image is given at last.

Motion design of a hybrid wheeled/legged robot for lunar exploration

The robot consists of a quadruped mechanism and two active dual-wheel casters possesses the advantages of wheeled and legged mechanism, and can quickly move on the relatively plane ground with the wheeled mechanism, and can walk on the extremely uneven terrain with the legged mechanism. The effectiveness of the motion design of the hybrid robot is iHustrated by simulation results.

基于虚拟模型和加速度规划的腿部缓冲策略

提出一种基于虚拟模型控制和加速度规划的腿部缓冲方法。通过建立机器人腿部的虚拟模型,设定落地过程中躯干加速度从而可减小地面对机器人的冲击力,保护机器人的机械结构。该方法将机器人的落地过程分为下落、缓冲、恢复3个阶段。在下落阶段,通过在足端与期望位置之间添加虚拟"弹簧—阻尼"系统来控制足端位置。在缓冲阶段和恢复阶段,通过规划躯干质心加速度,从而减小落地过程中躯干受到的冲击。该方法可避免在激烈的足地交互过程中调节系统的刚度和阻尼,控制过程更简单精确。基于Webots的仿真试验表明,该方法在机器人落地过程中的保护是有效的。