Design and Optimization of Wheel-legged Robot:Rolling-Wolf

Though the studies of wheel-legged robots have achieved great success, the existing ones still have defects in load distribution, structure stability and carrying capacity. For overcoming these shortcomings, a new kind of wheel-legged robot（Rolling-Wolf） is designed. It is actuated by means of ball screws and sliders, and each leg forms two stable triangle structures at any moment, which is simple but has high structure stability. The positional posture model and statics model are built and used to analyze the kinematic and mechanical properties of Rolling-Wolf. Based on these two models, important indexes for evaluating its motion performance are analyzed. According to the models and indexes, all of the structure parameters which influence the motion performance of Rolling-Wolf are optimized by the method of Archive-based Micro Genetic Algorithm（AMGA） by using Isight and Matlab software. Compared to the initial values, the maximum rotation angle of the thigh is improved by 4.17%, the maximum lifting height of the wheel is improved by 65.53%, and the maximum driving forces of the thigh and calf are decreased by 25.5% and 12.58%, respectively. The conspicuous optimization results indicate that Rolling-Wolf is much more excellent. The novel wheel-leg structure of Rolling-Wolf is efficient in promoting the load distribution, structure stability and carrying capacity of wheel-legged robot and the proposed optimization method provides a new approach for structure optimization.

Dynamics and Wheel's Slip Ratio of a Wheel-legged Robot in Wheeled Motion Considering the Change of Height

The existing research on dynamics and slip ratio of wheeled mobile robot （WMR） are derived without considering the effect of height, and the existing models can not be used to analyze the dynamics performance of the robot with variable height while moving such as NOROS- Ⅱ. The existing method of dynamics modeling is improved by adding the constraint equation between perpendicular displacement of body and horizontal displacement of wheel into the constraint conditions. The dynamic model of NOROS- Ⅱ in wheel motion is built by the Lagrange method under nonholonomic constraints. The inverse dynamics is calculated in three different paths based on this model, and the results demonstrate that torques of hip pitching joints are inversely proportional to the height of robot. The relative error of calculated torques is less than 2% compared with that of ADAMS simulation, by which the validity of dynamic model is verified, Moreover, the relative horizontal motion between fore/hind wheels and body is produced when the height is changed, and thus the accurate slip ratio can not be obtained by the traditional equation. The improved slip ratio equations with the parameter of the vertical velocity of body are introduced for fore wheels and hind wheels respectively. Numerical simulations of slip ratios are conducted to reveal the effect of varied height on slip ratios of different wheels. The result shows that the slip ratios of fore/hind wheels become larger/smaller respectively as the height increases, and as the height is reduced, the reverse applies. The proposed research of dynamic model and slip ratio based on the robot height provides the effective method to analyze the dynamics of WMRs with varying height.

Study of dynamic stable control for a leg-wheeled robot

In order to realize the dynamic stable motion control for a leg-wheeled robot, this paper presents a layered control architecture. It is composed of three levels, i.e. the supervisor level, coordinator level and leg level. The supervisor level is for the task definition and planning, while the coordinator level does the dynamic stable control and the leg level executes the real-time control command. First, we build the efficient Newton-Euler dynamics equations of the robot. Then, the stability control is realized by properly distributing ground reaction forces applied by the legs. We also use Simplex method to optimize the ground reaction force distribution and verify the control method by experimental and numerical results.

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 advan-tages of wheeled and legged mechanism, and can quickly move on the relatively plane ground with the wheeledmechanism, and can walk on the extremely uneven terrain with the legged mechanism. The effectiveness of themotion design of the hybrid robot is illustrated by simulation results.

对称悬架混联轮腿机器人结构设计与参数优化

为了实现机器人在地下空间低能耗的灵活运动,文中设计了一种对称悬架混联轮腿机器人,并针对其腿部参数优化问题,提出了一种基于沙猫群算法的性能均衡优化方法(简称均衡优化方法)。结合对称四边形机构与悬架系统,设计了一种对称悬架混联式轮腿结构,并建立其运动学和动力学模型,分析了腿部杆长对单轮腿运动空间和灵活性指标的影响,预优化确定了腿部初始杆长均为0.3 m。在满足轮腿越障规划空间及高灵活性的基础上,为了实现低能耗,建立了轮腿性能均衡优化评价指标,采用均衡优化方法对腿部杆长进行了优化研究。数值计算结果表明:大腿和小腿杆长最优值分别为0.23 m和0.3 m,该轮腿运动能耗为23.18 J,运动空间为0.1322 m2,灵活性指标变化范围为(0.2,1)。优化后灵活性保持不变,运动空间减小了24.54%,能耗降低了22.60%,验证了该方法合理有效,为轮腿机器人的设计与优化提供了一种新的思路。

复杂地形下仿生轮腿式机器人位姿控制研究

丘陵山地地势复杂、地形多变,农机装备作业环境以倾斜角度较大的斜坡为主,传统农机装备在丘陵山区复杂地形下作业时效率低、稳定性差,甚至会出现侧倾、翻车等现象。本文从仿生机械设计角度出发,提出一种在丘陵山地复杂地形下能够自主实现位姿调平控制的轮腿式机器人平台,提升复杂地形下的作业稳定性和安全性。以昆虫后足为仿生机械设计对象,并结合多连杆机构原理,完成新型变行程轮腿机构及机器人平台的整体架构设计。采用D-H参数法分析了轮腿机构运动学特性,结果显示轮腿式机器人离地间隙最大调整量为574mm,具备较强的越障能力。在空间坐标系上定义轮腿式机器人空间姿态参数,推导得到机身姿态角与轮腿伸缩量之间的空间姿态模型,并设计了基于NSGA-Ⅱ的机身空间姿态逆解算法。基于空间姿态逆解算法构建了轮腿式机器人全向位姿调平位姿控制系统,包含机身调平控制器、“虚腿”补偿控制器和质心高度控制器,在复杂地形下行驶时能够控制轮腿式机器人俯仰角、侧倾角、接地力、质心高度等空间姿态参数,然后通过搭建的轮腿式机器人ADAMS-Matlab联合仿真模型完成了位姿控制系统算法仿真验证。在机器人样机上开展了离地间隙自动调整和机身全向位姿调平试验,试验结果表明,试验样机离地间隙最大调整量为574mm,同时在复杂地形下能够实现机身位姿全向自动调平,调平平均时间约为1.2s,调平平均误差为0.8°,位姿控制响应速度与调平精度能够满足实际工作要求。

可重构性和解耦性轮腿式机械腿构型综合方法

基于螺旋理论和可重构机构运动分岔原理,综合出一组完全解耦的可重构轮腿式混联机械腿构型。根据机械腿轮、腿模式自由度需求,分析了机械腿轮腿变换机理,进而综合和筛选出5种主运动支链。基于轮腿变换机理,提出约束支链布局原理和方案,基于螺旋理论构造约束支链,根据主运动支链及约束支链几何条件,进行运动副轴线变换及运动副分解、组合,最终得到134种约束支链。基于并联机构运动解耦概念,导出驱动副选取条件,确定各约束支链上的驱动副位置。通过实例验证机械腿的可重构性和解耦性。研究结果表明:综合出的机械腿基于约束奇异实现轮腿模式切换,减少了构态变换所需的时间消耗,使模式切换更加高效;由于结构约束的存在,轮式运动时,无需锁死与腿模式运动相关的关节,减少了能量消耗及驱动控制难度。

新型周转式轮腿机器人运动分析与步态规划

针对现有四足机器人越障能力不足及越障不平稳的问题,提出一种通过轮系传动来实现高越障和质心平稳的新型轮腿式机器人。该机器人髋关节部位采用轮系构型,扩大机器人腿部运动范围,克服越障高度与机器人腿部长度之间的矛盾,同时通过合理的步态规划保证机器人质心的运动轨迹平稳。基于Denavit-Hartenbery (D-H)法建立机器人运动学模型,从而构建机器人腿部末端与越障高度的映射关系,根据此映射关系得出最佳越障高度为自身腿长高度的66.4%,基于重心地面投影点(CoG)静态稳定性判据对机器人进行越障步态及行走静步态规划,并通过仿真实验验证此步态下质心的稳定。搭建实验样机,进行机器人越障实验,进一步验证所提轮腿机器人越障高度高及越障过程质心平稳的有效性和可行性。

双轮腿机器人腿部四连杆机构优化

双轮腿机器人是一种新型的机器人,其采用双轮和两腿的结构,能够在不平整的地面上行走和移动。为了解决机器人在抬升与下降过程中质心水平位置变化过大而影响其运动稳定性的问题,建立机器人腿部四连杆机构优化设计的数学模型,并利用软件ADAMS建立四连杆机构的参数化模型,对双轮腿机器人腿部杆件尺寸参数进行优化,寻找最优解。经仿真验证,四连杆参数优化后,x向位移的偏差由原来的10.8317 mm缩小到2.3918 mm,机器人腿部在升降过程中的稳定性得到提升。

Development of Wheel-Legged Biped Robots:A Review

The wheel-legged biped robot is a typical ground-based mobile robot that can combine the high velocity and high efficiency pertaining to wheeled motion and the strong,obstacle-crossing performance associated with legged motion.These robots have gradually exhibited satisfactory application potential in various harsh scenarios such as rubble rescue,military operations,and wilderness exploration.Wheel-legged biped robots are divided into four categories according to the open–close chain structure forms and operation task modes,and the latest technology research status is summarized in this paper.The hardware control system,control method,and application are analyzed,and the dynamic balance control for the two-wheel,biomimetic jumping control for the legs and whole-body control for integrating the wheels and legs are analyzed.In summary,it is observed that the current research exhibits problems,such as the insufficient application of novel materials and a rigid–flexible coupling design;the limited application of the advanced,intelligent control methods;the inadequate understanding of the bionic jumping mechanisms in robot legs;and the insufficient coordination ability of the multi-modal motion,which do not exhibit practical application for the wheel-legged biped robots.Finally,this study discusses the key research directions and development trends for the wheel-legged biped robots.

变胞工程机器人设计及其稳定性探究

为使变胞工程机器人能够应对更复杂的地形,研究通过轮腿式和滑槽式魔方机构增大机器内部空间,实现躯干各层转动和子块位置互换的功能,从而设计了一种新型的变胞工程机器人。结果表明:变胞工程机器人改进后的滑槽式结构加工难度降低,子块不易脱离。该机器人构型的前后转动层由电机驱动,在越障时左右转动层可以自适应旋转。当其最小稳定角为25.69°、重心高度为56.45 mm时,运动的稳定性最好,不易发生倾翻。此外,机器人采用的三足步态可以保持快速移动,并具有较小的位移偏移量。新型的变胞工程机器人具有较高的稳定性,在地域探险中具有较高的应用价值。

一种开闭链混合的多模式移动轮腿机器人设计与仿真研究

为提高机器人通过复杂环境的能力,设计了一款新型轮腿机器人。首先对机器人整机进行了构型设计和运动模式分析;然后对其腿部机构进行了运动学分析,并针对常见障碍地形进行了机器人越障性能分析;最后进行虚拟样机仿真,仿真结果验证了机器人具有较强的越障能力。

一种轮腿式越障机器人的研究

针对移动机器人在复杂多变地形环境下实现高机动性、强越障等需求,提出了一种被动变形式的轮腿式越障机器人设计方案。该机器人的变形轮转换过程是由外力操作得到的,因此,不需要任何驱动器,减少了机构的复杂性。在完成机器人整体三维建模的基础上,对变形轮的结构、原理及受力情况进行了分析;以变形过程中的触发转矩和展开前后半径之比为指标进行结构优化;分析机器人变形阶段受力情况,并对机器人平台的相关参数进行调整以实现稳定越障;使用Adams软件对机器人变形、越障过程进行运动学仿真,并制作物理样机对整机结构设计的合理性进行了实验验证。

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。

基于前馈补偿的轮腿式机动平台姿态自适应控制

在通过复杂路面障碍时,轮腿式机动平台的轮端负载较大,且地面对轮胎的外力会突然变化,会显著降低机身姿态的控制精度,并容易导致轮胎脱离地面失稳等问题。为提高平台的地形适应能力和稳定性,提出一种基于前馈补偿的平台姿态自适应控制策略。构建平台的逆运动学模型和动力学模型,考虑轮-地接触点垂向支撑力和纵向驱动力实现轮-地接触状态的实时估计,结合腿部高度观测器和轮-地接触状态估计器获得腿部垂向补偿高度,兼顾平台车轮运动稳定性和姿态自适应控制精度。考虑平台机身动量和角动量,利用二次规划算法优化的轮端虚拟驱动力求解前馈补偿力矩,以实现平台的运动精确控制。仿真结果表明,该方法可以有效提高轮腿式机动平台在崎岖路面环境下的姿态自适应控制精度和轮胎驱动稳定性,为在复杂工况下轮腿式机动平台执行侦察等任务奠定基础。

轮腿式无人战车越障性能分析

针对非结构化复杂路面环境下无人战车在执行军事运输、抢险救灾等任务时通过性不足的问题,提出了一种轮腿式全液压驱动的8轮无人战车,该战车通过摆臂的协同控制调整其运行姿态,可适应不同的复杂地形。越障性能是衡量无人战车通过性的关键要素,建立无人战车的越障动力学模型和姿态规划模型,通过求取轮腿式无人战车不同越障高度与摆臂摆角的关系式,得到无人战车典型垂直墙障碍的越障性能。在理论分析的基础上,利用QT、Simulink、ADAMS建立综合仿真平台,进行了仿真验证。研究表明:轮腿式全液压驱动的8轮无人战车可完成高度为轮胎直径1.176倍的垂直墙越障,具有良好的地形适应能力,为8轮无人战车的实验测试提供了理论参考。

基于全身力矩控制的双腿轮机器人跳跃方法研究

双腿轮机器人由于内在不稳定性以及强耦合非线性特性,其运动控制尤其是高动态运动控制非常困难.为此,提出基于最优力分配的全身力矩控制框架,可同时实现双腿轮机器人的自平衡与躯干位姿控制;为提高双腿轮机器人在高速运动时跨越垂直障碍物的能力,提出应对垂直障碍的跳跃动作规划方法,并基于全身力矩控制框架进行控制与实现;通过分析简化的轮式倒立摆模型,得到腾空时飞轮转动对俯仰姿态的动力学影响,实现腾空阶段俯仰姿态的调整.设置连续跳跃仿真实验与有无飞轮调整的俯仰姿态对比实验,其仿真结果证明所提方法的有效性与鲁棒性.

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。

基于DDPG算法的双轮腿机器人运动控制研究

轮腿式机器人兼具轮式和足式机器人的机动性和灵活性,在多种场景中具有广泛的应用前景。针对双轮腿机器人在崎岖地形运动控制缺陷、高度依赖于精确动力学模型、无法自适应求解等问题,提出一种基于深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient,DDPG)算法的双轮腿机器人控制方法。首先,分析了双轮腿机器人模型及其模糊动力学模型;然后,使用DDPG算法生成双轮腿机器人在崎岖地面的运动控制策略;最后,为了验证控制器性能,分别进行了3组运动控制对比实验。仿真实验表明,在缺少地面状况先验知识的条件下,采用DDPG算法生成的运动控制策略实现了双轮腿式机器人在崎岖地面快速稳定运动的功能,其平均速度相比双轮机器人提高了约29.2%,姿态角偏移峰值相比双足机器人分别减小了约43.9%、66%、50%。

平面被动粘弹性腿无缘轮的动力学建模及步态分析

为研究被动动态行走问题,建立了一种平面被动粘弹性腿无缘轮模型,并进行了动力学建模与稳定性分析。首先,考虑系统约束,通过拉格朗日第一类方程建立了无缘轮的动力学方程。其次,通过调节模型参数进行对比实验,对所生成的被动动态步态的基本特性进行了分析。最后,在相平面上验证了无缘轮周期步态的稳定性。在理论分析的基础上,进行了仿真实验。仿真结果表明:在给定的斜坡角度和初始运动条件下,被动粘弹性腿无缘轮模型可实现稳定持续的周期行走,在相平面上形成极限环。