基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性,利用向量代数方法,对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析;根据有限元形函数理论,建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法;在几何运动学分析的基础上,基于力矩平衡原理,分别进行正向与逆向动力学分析;利用线性变换原理并结合传递矩阵法,建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型,并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型,进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明,所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。

足式机器人腿部关节改进单神经网络PID控制算法研究

为了满足液压足式机器人在复杂环境中实现精确、快速的腿部关节控制需求,把单神经网络PID能够实时调节参数的优点运用到足式机器人液压机械腿关节的控制中,在单神经网络PID的基础上增加机械腿关节的位置和速度控制算法,形成改进单神经网络PID,实现了对神经元比例参数自调整、PID参数的自整定,能够较好地适应内、外参数的变化,增强了腿部关节的快速性、精确性。在Simulink中进行建模仿真以及在设计的以STM32为中央处理芯片的控制平台上进行实验测试,结果表明:改进单神经网络PID在足式液压机器人的腿部关节控制中具有响应速度快、超调量小、控制精度高、鲁棒性强等优点。

足式机器人SLIP模型向上跳跃台阶的运动控制

由于存在地势起伏,台阶对足式机器人运动稳定性会带来较大挑战.弹簧负载倒立摆模型(SLIP)作为研究足式机器人的优良模板,能否完成向上跳跃台阶的动作与其腿部摆角,起跳位置和跳跃高度都有密切的关系.由于调整模型腿部摆角规律容易引发运动失效,故本文在算法中引入虚拟弹簧腿,根据虚拟弹簧腿的运行规律确定合理起跳位置,根据起跳位置来控制系统跳跃高度进而完成跳跃台阶的动作.最后利用仿真软件进行多组仿真,结果表明本文算法对起跳区间划分合理,对起跳高度控制精准,能够实现SLIP模型跳跃台阶前后的稳定运动.

足式机器人触地检测方法的研究综述

基于现有足式机器人触地检测方法的研究,综合论述了腿部结构设计、足端设计、传感器设计对触地检测的影响.总结外部传感器直接检测的触地检测方法、基于运动学与动力学的触地检测方法以及基于学习的触地检测方法.归纳地面湿滑、地面松软以及非足端触地这3种特殊场景中的触地检测方法.分析触地检测技术的应用场景,具体包括运动控制的需要、导航中的应用、地形与地质的感知这三大应用场景.指出硬件改进和集成、多模态触地检测、多传感器融合化触地检测以及智能化触地检测这四大触地检测方法相关的发展趋势,总结各触地检测算法之间的具体关联,为触地检测后续技术的发展及触地检测的具体应用提供指导.

融合改进A^(*)算法与动态窗口法的煤矿足式机器人路径规划

为提高煤矿足式机器人路径规划算法的运行效率、搜索精度及避障灵活性,提出了一种融合改进A^(*)算法与动态窗口法(DWA)的煤矿足式机器人路径规划方法。首先对A^(*)算法进行改进,通过去冗余节点策略减短规划路径的长度,通过改进邻域搜索方式和代价函数提高路径规划速度,采用分段二阶贝塞尔曲线进行路径平滑。将改进A^(*)算法规划出的路径节点依次作为局部路径规划DWA的局部目标点进行算法融合,筛选邻近的障碍物节点,从而再次缩短路径长度,并通过调整DWA代价函数中的权值比例提升避障性能。针对机器人遇到无法避开的障碍物而陷入“假死”状态的问题,以当前初始点为起点,重新调用融合算法,即重新进行全局路径规划,将得到的新节点代替原有的局部目标点,按照新路径进行后续工作。仿真结果表明:在保证机器人行走安全稳定的基础上,改进A^(*)算法较传统A^(*)算法的计算时间缩短了65%,路径长度缩短了24.1%,路径节点数量减少了27.65%,最终得出的路径更为平滑;融合算法进一步提升了全局路径规划能力,在多障碍物环境下能够绕开新增的动态和静态障碍物;机器人遇到“L”型障碍物进入“假死”状态时,在“假死”位置重新进行全局路径规划,更新行走路径,成功到达了最终目标点。基于融合算法的JetHexa六足机器人路径规划实验结果验证了融合算法的有效性和优越性。

液压足式机器人关节驱动系统实验台研究

为测试液压足式机器人关节驱动系统的控制性能,实现对外负载力的精确模拟并研究高性能控制策略,设计液压足式机器人关节驱动系统实验台。介绍了关节驱动系统实验台的工作原理、机械结构、液压系统及测控系统;在MATLAB/Simulink平台中建立了关节驱动系统实验台仿真模型,通过仿真分析,验证了实验台的负载模拟能力及控制性能。研究结果表明,实验台能够实现负载力加载并实现精确控制,为后续液压足式机器人关节驱动系统的研究提供平台。

足式机器人足-地力学模型及实验仿真研究综述

基于现有足式机器人足-地接触力学的研究,综合论述了足式机器人足-地接触力学模型、实验方法、虚拟仿真等方向的研究现状。总结归纳了硬质、松软两种地面环境下建立的各种足-地接触力学模型;对足-地接触力学足端运动、腿部运动状态以及不同足端形状的实验方法进行归纳;并基于有限元仿真和离散元仿真两类仿真方法,对足式机器人足-地力学虚拟仿真进行总结;最后,对足式机器人足-地接触力学在动态交互模型、地面适应性及足端创新性等方向的未来研究提出展望。研究足式机器人的足-地接触力学对于提高其在多变地形中的运动性能至关重要,有助于开发出更高效、更稳定的足式机器人系统。

基于虚拟仿真技术的足式机器人创新实验平台开发

为满足足式机器人教学实验需要及提高实验平台可靠性,研制了一种基于虚拟仿真技术的足式机器人创新实验平台。该实验平台基于PyBullet虚拟物理引擎搭建,通过设计步态规划、步行控制等功能模块,能够完成足式机器人步态规划、步行控制等算法的仿真验证等任务。同时,依托该平台展示涉及机械设计、软件开发等专业方向的教学内容,有利于智能机器人课程实践教学的开展。基于该创新实验平台,设计了一个拥有13个自由度的足式机器人,能够完成自主步行、上楼梯等功能。实践表明,该创新实验平台具有实验成本低、高度可定制化的优点,非常适合科学研究和实验教学中需要个性化定制机器人的应用场景。

月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能

移动机器人作为月球探索的重要方式,足端力是步态控制的重要参量。为研究足端花纹式设计在松散月壤环境中足-壤相互作用对足端抗滑移性能的影响,分别对三角形、圆弧形和矩形3种足端花纹构型进行防滑性能研究。通过数值仿真研究了在相同竖向载荷界面对不同花纹构型的抗滑移性能,并利用等效原则得到了各花纹构型抗滑移参数。结果表明,足端花纹未完全刺入月壤前,相同竖向载荷作用下圆弧形花纹的沉陷量最小,矩形花纹次之,三角形花纹沉陷量最大;同时,圆弧形花纹滑移量、应力峰值也最小;足-壤接触面抗滑移模型在相同沉陷量时矩形花纹等效抗剪强度最大其等效摩擦角33.44°、黏聚力2.58kPa,圆弧形花纹最小其等效摩擦角30.16°、黏聚力2.48kPa。

仿生足式机器人动作规划与运动控制技术综述

仿生足式机器人具有克服障碍和适应复杂地形的能力,在抢险救灾等方面具有广泛的应用前景。本文针对仿生足式机器人在控制这一领域可能产生技术突破的关键点进行了讨论。首先是介绍了角色动画这一技术在机器人领域的应用发展。其次总结了轨迹优化的特点及代表性工作。再次,针对仿生足式机器人的移动控制,介绍了具有代表性的方法与成果。最后,本文对仿生足式机器人关键技术进行了总结,并讨论了未来发展趋势。

可调足式机器人腿部机构设计

为实现腿部机构足端轨迹多样化以增强足式机器人地面适应性,同时提高其运动稳定性,课题组基于曲柄摇杆和曲柄滑块机构设计了一种可调整足式机器人腿部机构。采用解析法对该机构进行了运动学分析,建立了以理想的足端轨迹为设计要求的单目标优化模型,考虑了腿部机构运动过程中的平稳性,引入了速度波动指标,以轨迹-速度为设计目标,采用NSGA-Ⅱ多目标优化方法对机构进行优化,对优化结果进行了对比分析;基于多目标优化结果建立了腿部机构的足端轨迹库,并进行腿部机构多步态分析;以该腿部机构构建4足机器人三维模型,运用ADAMS对整机进行运动仿真。研究结果表明:多目标优化比单目标优化的轨迹误差增大了0.16%,而速度波动降低了5.84%;多目标优化与已有相关研究相比,速度波动幅值降低了25.44 mm/s。4足机器人三维模型仿真结果验证了可调整腿部机构的设计具有可行性。

一种弹性足式机器人腿部结构设计与分析

针对足式机器人在实现奔跑、跳跃等极限运动时,腿部会受到地面较大反向冲击力的问题,使用仿生学方法以猫科动物腿部骨骼肌系统为仿生对象,通过引入变刚度弹性杆件对闭链连杆机构进行优化设计,设计一种结构简单、能够有效储存地面反向冲击力并将其转化为运动时动能的足式机器人腿部机构;建立数学模型,对变刚度弹性元件进行定量分析,并采用矢量回路法对连杆机构进行运动学分析;建立优化前后两种单腿机构的虚拟样机,使用MATLAB软件设计控制系统,并应用ADAMS对虚拟样机进行行走、跳跃仿真,对优化前后两种腿部机构进行对比实验;在此基础上搭建实物样机,并进行实验验证。实验结果表明:所提出的足式机器人腿部结构具备可实现性,能够将来自地面的冲击力转化为运动的动能,提升足式机器人的跳跃高度。

一种水下足式机器人的设计方案研究

海洋蕴含着丰富的自然资源,对海洋资源的合理开发与运用可以极大地缓解能源短缺问题,但由于海洋的复杂环境所带来的资源开发难度也不容忽略;针对这系列问题,对一种新型水下航行器进行研究,开展了水下足式机器人的总体设计分析,并通过三维建模对机器人进行结构设计;利用ANSYS对机器人关键运动部件进行应力分析,对机器人的设计进行完善;利用FLUENT软件进行流体模拟仿真,计算得到机器人腿部在水下运动时的受力特性;使用Adams软件对机器人的运动进行动力学仿真,计算机器人腿部扭矩输出特性;结合仿真结果对机器人的硬件系统进行选型,完成水下足式机器人的总体设计。

足式机器人故障诊断技术综述

足式机器人作为移动式机器人的一个重要分支,具备高机动性、高适应性、高自主性等特点,能完成在复杂环境下的救援、巡检等作业任务。由于其工作环境的复杂性和特殊性等问题,机器人难免会出现故障,如何快速实现自身故障诊断尤为重要。本文总结了国内外有关机器人故障诊断研究最新成果,并根据不同情况将技术内容分为三类:基于信号处理、基于模型和基于数据的足式机器人故障诊断。本文对足式机器人故障诊断技术进行了综述,为足式机器人的故障诊断与工程应用提供参考。

足式机器人领域取得重要研究成果

哈尔滨工业大学机电学院高海波教授团队在野外足式机器人环境认知学习与自主导航方面取得重要进展,相关研究成果于2023年5月10日发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。足式机器人具有较灵活的运动性能和良好的地形适应能力。然而,野外环境复杂多变,泥沙、冰雪、积水等非几何障碍限制了其实际应用。

针对四大需求特性推动足式机器人技术攻关

四足机器人是近几年国内外机器人领域的研究热点,尽管我国四足机器人的研究起步较晚,但目前已涌现出多款可比肩国外的四足机器人产品。在2023“机器人+”大会上,中兵智能创新研究院仿生机器人技术部主任江磊阐述了足式机器人的关键技术及其在应急行业的应用,并分享了机器人未来应用的思考。他指出,要针对应用场景加速开展技术攻关。

足式机器人足力及平衡控制方法设计

本文针对足式机器人在变刚度环境下进行柔顺控制的问题,应用一种基于位置控制的阻抗控制,并引入了姿态反馈和机身高度反馈,用以维持机身平衡。实验结果表明,本文提出的控制策略能在环境发生变化时快速跟随期望足端力,并且经过机身姿态和高度控制,能很好地维持机身平衡,提升机器人运动稳定性。

足式机器人的应用现状研究

足式机器人由于独特而丰富的步态和时变拓扑特性,正逐渐在科技领域崭露头角,其独特之处在于足式的布局,这种设计使得它能够在复杂多变的环境中灵活自如地行动。足式机器人在障碍、特殊地形等挑战性环境中展现出非凡的通过能力和高度的适应性,充分发挥其在实际应用中的巨大潜力。本文针对足式机器人的应用现状展开研究,对国内外足式机器人的研究现状进行了总结和介绍,针对机体和单足结构设计、步态规划、腿部轨迹规划等多个方面深入总结分析,并对足式机器人未来的发展以及应用进行了展望。

基于力反馈的液压足式机器人主/被动柔顺性控制

在足式机器人运动过程中,柔顺性控制能有效减少足端触地冲击力,提高环境适应能力。被动弹簧常被用来实现机器人与环境柔性接触,但不能有效吸收剩余冲击能量。主动柔顺能够根据环境不同而调整末端刚度与阻尼,却由于冲击力作用时间很短,对执行器的响应速度有较高的要求。试验发现将主动柔顺控制与被动柔顺相结合,可弥补上述不足,并实现机器人柔顺性触地。在单液压执行器系统中验证了这种方法的有效性,将此控制策略应用在四足机器人单腿系统,得到了同样的效果。通过分析单自由度执行器系统,总结所提柔顺性控制器参数设计原则,进而为四足机器人整体柔顺性设计提供依据。

足式机器人的稳定行走

足式机器人在行走过程中,足端与地面之间的法向冲击力将影响机器人的在垂直方向上的稳定性。被动柔顺可以减小垂直冲击力但同时可引发平台持续震荡。针对该问题,设计基于足端力反馈的主动柔顺控制器,分析其对机器人垂直稳定性的影响。机器人由于机械间隙、步态、路面等因素将出现足端打滑现象,导致机器人水平方向失稳。引入摆腿回缩技术,分析摆腿回缩对机器人水平稳定性能的影响。仿真和液压足式机器人行走试验验证提出方法的有效性,提高了机器人行走过程中的垂直和水平方向稳定性。