Research on Biologically Inspired Hexapod Robot's Gait and Path Planning

Realistically there are many robot joints in the biologically inspired hexapod robot, so they will generate many complexities in the calculations of the gait and the path planning and the control variables. The software Solidworks and MSC. ADAMS are adopted to simulate and analyze the prototype model of the robot. By the simulations used in our design, the applicability of the tripod gait is validated, and the scheme which uses cubic spline curve as the endpoint of foot＇s path is feasible. The principles, methods, and processes of the simulation of hexapod robot are illustrated. A methodology is proposed to get the robot inverse solution in ADAMS, and to simplify the theoretical calculation, and further more to improve the efficiency of the design.

金属矿山井下采场六足机器人运动分析及步态规划

六足机器人因其结构特殊带来的良好越障能力成为仿生机器人研究的热点,然而,金属矿山井下采场矿石堆积、崎岖不平的特点,给这类机器人的行走稳定性、越障性带来更多的挑战。因此,为使六足机器人在井下具有更好的通过性,对其运动能力和步态规划进行了相关研究。首先仿照自然界六足生物,设计六足机器人结构,对其腿部进行运动学分析;然后规划了用于采场的直行步态,结合采场路面环境设计了一种直线—摆线复合轨迹提升越障性,同时分析了机器人爬坡稳定性,对爬坡步态进行了优选;最后对规划步态进行仿真和现场模拟试验。仿真和试验结果表明,所规划的足端轨迹能跨越抬腿高度85%的障碍物,并且对矿石堆积形成的采场路面有更好的避障能力;三角步态爬坡时在坡底和坡顶过渡阶段容易打滑,而横向步态可以实现平滑的过渡,爬坡性能更佳。

基于Hopf振荡器的Spiking-CPG六足机器人步态运动控制

中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)在六足机器人的运动步态控制中起着至关重要的作用。为能够更高效、更低能耗地控制六足机器人的步态运动,提出了一种Spiking-CPG(SCPG)神经网络作为六足机器人的仿生控制系统,其结合Hopf振荡器与以时疏的spiking信号传递信息的仿生神经元LIF(leaky integrate-and-fire),采用环型拓扑结构,使用六组各2000个LIF神经元组成的集合相互连接而成。该SCPG控制系统能够生成六足机器人常见的波动步态、四足步态、三足步态,通过调节相位差参数实现快速、顺滑、稳定的切换运动步态,实时调整所需的频率、振幅,在面对外界干扰时能够在很短的时间内恢复原状,具有很好的鲁棒性。在Webots平台上搭建了一个三维的六足机器人模型,将SCPG的信号输出并经过关节映射函数变换后,来控制六足机器人的运动,验证了所设计六足机器人的运动稳定性和SCPG控制方案的可行性与有效性。最后,在Intel的Loihi芯片上移植了SCPG神经网络控制器,结果表明,其具备高效的执行速度和更低的能耗,在六足机器人的运动控制中具备良好的应用前景。

基于DRL和自由步态的六足机器人运动规划研究

为提高六足机器人在非结构环境下的通过率和运动性能,提出一种基于DRL和自由步态规划器的多接触运动规划算法。自由步态规划器获取目标状态下可达落足点从而输出最优步态序列;利用DRL训练得到六足机器人在随机生成的梅花桩环境中的质心运动策略。为了保证机器人在运动过程中相邻状态之间的可达性,利用状态转移可行性模型对状态转移可行性进行判定,实现六足机器人在不同宽度沟壑梅花桩环境下的落脚点规划。仿真与样机实验表明:多接触运动规划算法能够让机器人快速平稳地从起点到达目标区域,并自动调整步态模式以应对不同环境下随机分布的梅花桩。

弱引力下的六足机器人附着与移动控制方法

针对小天体上弱引力带来的脱附难题,研究了适用于小天体星表弱引力环境的六足机器人附着与移动控制方法。建立了足-地接触动力学模型,分析得到六足机器人实现弱引力条件下附着而不脱离、移动而不打滑的力学约束条件。根据六足机器人的机构特点和移动形式,设计了基于三角曲线的平稳步态规划方法,以抑制移动过程中机器人足端所受的冲击效应;建立了基于末端步态偏置的多足协同主动附着方法,保证机器人对小天体星表的稳定附着。最后,通过一个仿真案例,验证了该控制方法的有效性,为弱引力条件下六足机器人的移动探测任务提供了新思路。

基于分布式深度强化学习的六足机器人步态学习与控制

针对六足机器人系统结构与决策的复杂导致步态规划与控制困难的问题,提出了一种基于分布式强化学习的六足机器人步态学习与控制框架。该框架采用大规模并行学习的方式获取训练数据,通过强化学习的方法对网络进行数据驱动训练,得到最优控制策略,并在IsaacGym平台下构建仿真环境评估和验证六足机器人步态学习与控制的性能。结果表明,训练的六足机器人步态在奖励值、速度跟踪和稳定性都有良好的表现,验证了所提方法的有效性。

仿生六足机器人的运动分析及步态仿真

为了增强机器人在各种环境下的灵活性,设计了一种仿生六足机器人。利用Creo2.0软件设计仿生六足机器人的三维模型,并将三维模型导入ADAMS软件中建立仿真模型。通过ADAMS软件对仿生六足机器人进行直行步态仿真分析和转弯步态仿真分析,结果证实了仿生六足机器人的运动状态稳定,验证了仿生六足机器人的结构合理性和设计的正确性及有效性。同时,为实现仿生六足机器人的制作与开发提供了理论基础,也为实现仿生六足机器人的精确控制创造了条件。

仿生六足机器人虚拟模型控制

论文针对仿生六足机器人运动问题,提出了一种基于虚拟模型控制(Virtual Model Control,VMC)的简单直观的运动控制方法。在VMC框架中,一系列虚拟原件安装在机器人关节上,以产生相应的虚拟力。将机器人腿的运动模式分为站立相和摆动相两个阶段。站立相中,VMC被用于控制机器人躯干姿态,包括躯干高度和欧拉角;摆动相中,VMC为摆动腿提供控制,使其遵循期望的轨迹。通过状态机实现机器人腿状态切换和运动配合。仿真结果表明,设计的控制器可以实现六足机器人三角步态稳定行走。

一种多用途仿生六足机器人的设计与实现

由于技术难度大、硬件成本高以及控制算法复杂等因素,六足机器人在小型服务机器人领域的应用受到限制。针对这一问题,采用平行多层结构设计、高扭矩舵机驱动和模块化硬件设计等方法,给出一种紧凑、易扩展和低成本的仿生六足机器人实例,满足巡检、公众服务和实验教具等多用途需求。机械系统采用单足串联3自由度结构,椭圆布置的机体结构以及稳定的三角步态。通过单足简化模型,进行足端点受力分析,计算出需要的关节驱动扭矩,确定舵机选型。利用D-H参数法建立单足的运动学方程,计算出足端点坐标变换与关节转角的对应式。控制系统硬件单元采用7大模块,给出硬件的选型和电路设计。控制系统软件单元包括上位机和下位机程序,通过微控制器程序流程图详细阐述了六足机器人运动解算过程的实现。最后,根据软、硬件调试完成舵机补偿与功能测试,完成多用途仿生六足机器人的运动优化与开发。

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。

风电叶片检测机器人设计与运动仿真研究

为了降低风电叶片检测维修的成本,综合设计制作了一种可以在叶片表面攀爬检测的六足机器人。根据叶片参数确定了机器人整体尺寸,采用SolidWorks软件建立了机器人整体模型,设计了腿部吸附结构。通过静力分析,建立了机器人吸盘吸附的数学模型,以保障机器人行走的安全稳定性。分析了机器人整体行走步态,设计了攀爬行走迈步过程并设计了其关节控制曲线,通过ADAMS软件仿真模拟了机器人在叶片表面的攀爬行走。最后,设计了机器人整体控制系统,并制作样机进行了机器人攀爬实验。仿真与实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定实现攀爬运动,吸盘吸附系统安全可靠,实验结果与仿真的行走步态一致,验证了以攀爬步态行走的可行性。

基于CPG的六足机器人运动控制方法研究综述

以六足机器人为研究对象,分析了中枢模式发生器(CPG)的国内外发展现状,揭示其主要是以振荡器作为控制器进行信号输出。针对如何搭建CPG模型,以Hopf振荡器为例进行模型搭建和改进,搭建六足机器人实验平台验证CPG模型控制六足机器人步态运动是可行的。最后对基于CPG的六足机器人发展进行了展望。

六足机器人控制系统设计

由于国内石油管线巡护以传统人工巡检为主,受人为和地理区域因素的影响,导致复杂地理环境以及人力无法达到区域的场所下的管线巡检困难。因此,本文设计了一种六足机器人控制系统,使用STM32F103RCT6作为主控板,连接舵机驱动板,搭配传感器模块,采用三角步态来控制机器人,从而实现石油管道智能巡检。

仿生六足机器人步态设计与运动仿真

仿生六足机器人稳定性好、灵活度高在众多领域得到了使用。为实现对六足机器人的运动控制和性能分析,通过构建机器人D-H连杆坐标系结合机械结构参数,确定了运动学正解、逆解表达式;设计可修改参数的机器人行走参考步态,引入了控制机体保持水平的姿态控制和适应不平整地形的腿着陆控制。以MATLAB的Simulink作为仿真环境,构建机器人模型,完成运动仿真,并对测量到的运动数据和腿部关节输出力矩进行分析。其结果表明,机器人能够跟随所设计步态生成的轨迹连续稳定行走,使用基于模型设计的方法,验证了所提算法的正确性和可行性,最后得到了腿部各关节力矩分布,为后续六足机器人设计与运动控制提供参考。

基于Kimura神经元振荡器的六足仿生机器人步态控制研究

生物中枢模式发生器(CPG)对六足机器人的步态控制具有重大研究意义,为此提出一种基于Kimura神经元振荡器的六足机器人CPG步态控制方法。首先,以蜘蛛为仿生对象设计六足机器人机械结构并对其进行运动学解算;然后,基于Kimura神经元振荡器建立振荡器模型并对其参数整定;其次,针对机器人6条单腿的相位关系设计CPG网络模型;最后,通过计算机仿真工具和样机进行联合实验。结果表明,基于Kimura神经元振荡器生成的CPG网络模型输出信号幅值和相位差稳定,能够满足六足机器人步态控制需求,为六足机器人的步态控制提供一种可行性方案。

基于步态规划的六足机器人运动学分析与计算

分析六足机器人的侧倾、俯仰、偏航变化情况,验证步态规划的正确性。对设计的六足机器人进行运动学分析,计算机器人运动学的正解和逆解,分析六足机器人运动的时序图,利用五次多项式对机器人足端轨迹进行步态规划。在ADAMS中对机器人进行了运动仿真,得到了运动过程中的RPY角。最后制作了六足机器人样机,测试运行过程中的RPY角。仿真和样机测试结果表明:机器人在步态运动过程中,RPY角度在前进方向上误差最大不超过1°,验证了运动学计算和步态规划的正确性。

单腿失效六足机器人蒙特卡洛树容错步态规划

为解决稀疏立足地形中单腿失效六足机器人无法继续稳定行走的问题,提出一种失稳躲避蒙特卡洛树搜索算法(IAMCTS)用于容错步态规划。将容错步态规划问题转化为马尔科夫序列优化过程;根据稳定性判据制定了失稳状态躲避策略,并将其引入蒙特卡洛树搜索算法模拟阶段动作选择策略中,避免选择失稳支撑动作以生成容错步态序列。仿真系统环境中进行模拟对比分析表明,所提规划算法具有一定可行性和优势性;在IAMCTS规划的自由容错步态模式下,单腿失效六足机器人在稀疏立足地形中的平均前进距离增长了88.45 cm,平均前进速度提高了18.91%。

基于地形感知的六足机器人运动控制方法

相对于传统的轮式机器人,足式机器人拥有丰富的运动状态,可以适应复杂多变的非结构路面,其中环境检测能力以及稳定的步态控制是现阶段的研究难点之一。结合地形感知与遥控操作的六足机器人运动控制方法采用三维激光雷达实时监测环境,获取机器人周围三维点云数据与高程图信息。提出了基于激光雷达点云数据的自由步态控制算法,实现了遥控器控制机器人运动的功能。在ROS系统中搭建算法,在Gazebo软件中进行步态仿真,最后在真实环境中完成实验验证。为六足机器人在复杂环境中的精确运动提供参考。

基于STM32的全地形六足机器人系统设计

在全球气候复杂严峻,国际局势不稳的背景下,研究开发救援机器人具有重要意义。救援机器人可用于协助或代替救援人员执行任务,提高救援效率并避免不必要的人员伤亡。全地形机器人特别适用于自然灾害及恐怖袭击后在复杂多变的环境中搜索和营救幸存者以及在军事侦察领域。文章选择基于仿生六足机器人为主要架构,构建基于STM32环境开发的全地形六足机器人。

混联双平台错动式六足机器人步态分析及轨迹规划

提出了一种基于R&(2-UPU/2-RPR)混联机构的新型混联双平台错动式六足机器人,并对该机器人进行了结构设计。该六足机器人依靠2-UPU/2-RPR并联机构上、下两个平台的相互错动产生行走动作,其并联机构同时被用作连接两组3条腿的机身,从而使得该机器人能够以较少的驱动实现“3+3”的步态行走;该六足机器人的机身与载物平台以相对转动结构串联,可实现零半径360°灵活转弯。基于RPY变换矩阵求得了并联机构的位置逆解;通过分析该六足机器人腿部的相互干涉约束和驱动约束,得到了机器人的最大步长、在1个间歇周期中单次转动的最大零半径转角和运动轨迹曲线;分析了该六足机器人在平地行走和爬台阶时的步态;对其载重量进行的有限元分析结果证明,该六足机器人能够代替挑夫在崎岖山路上载物行走,具有广泛的应用前景。