Kinematics and Dynamics Analysis of a Quadruped Walking Robot with Parallel Leg Mechanism

It is desired to require a walking robot for the elderly and the disabled to have large capacity,high stiffness,stability,etc.However,the existing walking robots cannot achieve these requirements because of the weight-payload ratio and simple function.Therefore,Improvement of enhancing capacity and functions of the walking robot is an important research issue.According to walking requirements and combining modularization and reconfigurable ideas,a quadruped/biped reconfigurable walking robot with parallel leg mechanism is proposed.The proposed robot can be used for both a biped and a quadruped walking robot.The kinematics and performance analysis of a 3-UPU parallel mechanism which is the basic leg mechanism of a quadruped walking robot are conducted and the structural parameters are optimized.The results show that performance of the walking robot is optimal when the circumradius R,r of the upper and lower platform of leg mechanism are 161.7 mm,57.7 mm,respectively.Based on the optimal results,the kinematics and dynamics of the quadruped walking robot in the static walking mode are derived with the application of parallel mechanism and influence coefficient theory,and the optimal coordination distribution of the dynamic load for the quadruped walking robot with over-determinate inputs is analyzed,which solves dynamic load coupling caused by the branches’ constraint of the robot in the walk process.Besides laying a theoretical foundation for development of the prototype,the kinematics and dynamics studies on the quadruped walking robot also boost the theoretical research of the quadruped walking and the practical applications of parallel mechanism.

Optimal Design of a 3-Leg 6-DOF Parallel Manipulator for a Specific Workspace

Researchers seldom study optimum design of a six-degree-of-freedom（DOF） parallel manipulator with three legs based upon the given workspace.An optimal design method of a novel three-leg six-DOF parallel manipulator（TLPM） is presented.The mechanical structure of this robot is introduced,with this structure the kinematic constrain equations is decoupled.Analytical solutions of the forward kinematics are worked out,one configuration of this robot,including position and orientation of the end-effector are graphically displayed.Then,on the basis of several extreme positions of the kinematic performances,the task workspace is given.An algorithm of optimal designing is introduced to find the smallest dimensional parameters of the proposed robot.Examples illustrate the design results,and a design stability index is introduced,which ensures that the robot remains a safe distance from the boundary of sits actual workspace.Finally,one prototype of the robot is developed based on this method.This method can easily find appropriate kinematic parameters that can size a robot having the smallest workspace enclosing a predefined task workspace.It improves the design efficiency,ensures that the robot has a small mechanical size possesses a large given workspace volume,and meets the lightweight design requirements.

Topology Search of 3-DOF Translational Parallel Manipulators with Three Identical Limbs for Leg Mechanisms

Three-degree of freedom（3-DOF） translational parallel manipulators（TPMs） have been widely studied both in industry and academia in the past decades. However, most architectures of 3-DOF TPMs are created mainly on designers＇ intuition, empirical knowledge, or associative reasoning and the topology synthesis researches of 3-DOF TPMs are still limited. In order to find out the atlas of designs for 3-DOF TPMs, a topology search is presented for enumeration of 3-DOF TPMs whose limbs can be modeled as 5-DOF serial chains. The proposed topology search of 3-DOF TPMs is aimed to overcome the sensitivities of the design solution of a 3-DOF TPM for a LARM leg mechanism in a biped robot. The topology search, which is based on the concept of generation and specialization in graph theory, is reported as a step-by-step procedure with desired specifications, principle and rules of generalization, design requirements and constraints, and algorithm of number synthesis. In order to obtain new feasible designs for a chosen example and to limit the search domain under general considerations, one topological generalized kinematic chain is chosen to be specialized. An atlas of new feasible designs is obtained and analyzed for a specific solution as leg mechanisms. The proposed methodology provides a topology search for 3-DOF TPMs for leg mechanisms, but it can be also expanded for other applications and tasks.

Research of 6-DOF Serial-Parallel Mechanism Platform for Stability Training of Legged-Walking Robot

The concept of legged-robot stability training with a training platform is proposed and a serial-parallel mechanism platform with 6 degrees of freedom is designed for this target. The designed platform is composed of 4-DOF parallel mechanism with spherical joints and prismatic pairs,and 2-DOF serial mechanism with prismatic pairs. With this design,the platform has advantages of low platform countertop,big workspace,high carrying capacity and high stiffness. On the basis of DOF analysis and computation of space mechanism,weight supporting auxiliary mechanism and raceways-balls supporting mechanism are designed,so as to improve the stiffness of designed large platform and payload capacity of servo motors. And then the whole structure design work of the platform is done. Meanwhile,this paper derives the analytical solutions of forward kinematics, inverse kinematics and inverse dynamics. The error analysis model of position and orientation is established. And then the simulation is done in ADAMS to ensure the correctness and feasibility of this design.

PARALLEL ALGORITHMS OF ONE-LEG METHOD AND ITERATED DEFECT CORRECTION METHODS

The parallel algorithms of iterated defect correction methods (PIDeCM’s) are constructed, which are of efficiency and high order B-convergence for general nonlinear stiff systems in ODE’S. As the basis of constructing and discussing PIDeCM’s. a class of parallel one-leg methods is also investigated, which are of particular efficiency for linear systems.

3-SRR腿履式调姿救援机器人优化设计与试验

为实现在复杂环境下对处于不同位姿伤员的精准施救及稳定转运,文中提出了一种3-SRR腿履式调姿救援机器人机构,并进行运动学分析、机构优化设计及试验研究。首先,基于闭环矢量法对其进行运动学分析,得到救援机器人运动学反解;然后,基于迭代搜索算法,得到其救援作业空间与姿态空间,并基于单一变量法分析救援机器人机构尺寸参数对救援作业空间的影响;然后,以救援作业空间最大、姿态能力最强为优化目标函数,基于差分进化算法对机构尺寸参数进行优化;最后,研制原理样机并进行调姿能力试验,试验结果证明了方案的可行性与理论分析的正确性,为灾难救援提供一种可行的解决方案。

基于R&(2-RPR)+UPS并联机械腿结构参数优化

针对绝大多数并联机械腿工作空间小的问题,提出了一种新型带有放大机构的R&(2-RPR)+UPS并联机械腿,并对其主要结构参数进行了优化。首先,使用SolidWorks软件建立了并联机械腿及四足机器人整机三维模型,推导了单腿机构的位置反解,并通过Adams软件及Matlab软件对其正确性进行了仿真验证;其次,采用蒙特卡洛法求解了单腿工作空间体积,并将其作为优化指标,分别探究了该优化指标与各结构参数之间的规律,确定了优化变量;最后,采用粒子群算法对机械腿主要结构参数进行了优化。结果表明,优化后的机械腿工作空间体积增大了69.83%,在X、Y方向上的工作空间范围分别增大了35.26%、19.51%,提高了四足机器人的快速行走及越障能力。

一种太阳翼对接用调姿机构虚腿调平策略

针对太阳翼对接过程中姿态调整的快速性和准确性需求及人工调整不便的问题,本文设计了一种调平策略,能够根据地面状态更新调姿机构的运动学参数,利用激光跟踪仪获取调平所需位姿,采用基于运动学逆解的关节位置闭环控制实现动平台的调平,避免了传统支腿升降调平法在调平过程中存在的虚腿问题,实现了调姿机构从支腿收起状态到触地支撑状态再到动平台调至水平状态的自动调节。通过仿真验证了该调平策略的可行性,为太阳翼对接用调姿机构在工程应用中存在的虚腿调平问题提供了解决思路和方法。

离网型三相四桥臂逆变器在不平衡负载下的控制策略研究

针对离网工况下带不平衡负载时引起的波动,利用三相四桥臂拓扑结构在不平衡系统应用中的优势,结合虚拟同步机控制策略,采用基于全通滤波器的正负序分离方法进行控制。针对真实输出的有功功率对功频调节器产生波动及多逆变器并联时功率均分及环流抑制效果较差的问题,引入虚拟阻抗,改进了基于正负序分离的虚拟同步机并联预同步控制策略。结果表明,所提控制策略器能够在负载不平衡的情况下维持输出电压的平衡,提高了功率均分精度,使环流得到抑制,增强离网条件下的运行性能。

三相四线制并网逆变器导纳建模研究

为了提高三相四线制电容分裂式并网逆变器控制性能,需要构建其准确的数学模型。以电容分裂式三相四线制逆变器为研究对象,通过搭建逆变器小信号模型,构建系统模型从扰动电压到电流响应的传递函数矩阵,据此推导了电容分裂式三相四线制逆变器导纳模型,并探讨了其控制原理。在此基础之上,针对电容分裂式三相四线制逆变器导纳模型进行了仿真研究,仿真结果与理论分析一致,验证了所构建的数学模型是正确可行的。

对称两向平行流交叉口信号配时优化控制研究

为解决传统常规道路交叉口中因设置有左转专用相位导致主路通行效率下降的问题,提出了一种对称两向的平行流交叉口设计方案。通过分析对称两向平行流交叉口的车辆运行规则,制定信号控制相位方案,以交叉口车均延误最小化为目标建立信号配时优化模型。根据各转向车辆到达-驶离图式,推导了对称两向平行流交叉口延误计算模型,并通过VISSIM仿真进行验证。仿真结果表明,当两者车均延误相对误差绝对值的最大值不超过5%时,模型拟合效果较好。应用案例分析发现,对称两向平行流交叉口相对于常规交叉口能够降低30%以上的车均延误,同时在对称两向平行流交叉口设计中,将移位左转车道设置在主路的通行效率要优于支路。

基于CPG的并联腿四足机器人步态控制

并联腿结构的四足机器人具有承载能力强、刚度大、运动精度高的优点,但控制复杂。为更好地控制,提出了一种串联结构等效方法对并联腿进行了分析,结合中枢模式发生器(CPG)对等效的髋、膝关节进行控制,从而实现四足机器人不同步态,并利用ADAMS与MATLAB/SIMULINK软件搭建了四足机器人的虚拟样机与控制系统。仿真实验结果表明,串联等效分析方法能够应用于并联腿结构,CPG可实现四足机器人的Walk与Trot步态,验证了该方法的可行性与有效性。

并联腿机构在四足/两足可重组步行机器人中的应用

将并联腿机构用于助残步行机器人,可大大提高步行机器人的载重/自重比,从而节省能源,延长行走时间。为此提出并联腿机构四足步行机器人。四足稳定性好,安全性高,但是上下楼梯或台阶时座椅有较大的倾斜。为了解决这一问题,提出一种四足/两足可重组并联腿机构步行机器人。在一般路面采用四足行走,消除使用者乘坐两足步行机器人时的恐惧心理;在上下楼梯或台阶时采用两足行走,弥补四足步行机器人行走时产生的身体倾斜。提出四足/两足可重组步行机器人机构上的实现方法,分析3自由度3-UPU并联机构,以及其两两合并后的6-SPU并联机构,讨论它们在四足/两足可重组并联腿步行机器人中的应用,通过自由度计算进行四足/两足步行机器人的可动性分析,为四足/两足可重组并联腿机构步行机器人的进一步研究奠定了理论基础。

六足农业机器人并联腿构型分析与结构参数设计

为拓展六足机器人在农业领域的应用,将并联机构用于六足机器人的腿部结构,从而使其可以用于山地、林地、丘陵等环境的农业运输、种植、采摘等。首先,对六足机器人并联腿部机构进行了构型分析,选择2-UPS+UP机构作为腿部的初步机构原型;其次,依据螺旋理论,对2-UPS+UP机构进行了转动解耦性优化和变异,提出了一种转动解耦的UPR+UPS+UP机构;之后,通过对该机构进行运动学分析,建立了该机构位置逆解模型与速度映射方程;最后,对UPR+UPS+UP机构的工作空间进行了分析,绘制了工作空间三维图,通过分析设计参数对工作空间的影响,确定了一组性能较好的结构参数,该研究为并联腿部机构农业六足机器人的进一步研究提供了参考。

四足并联腿步行机器人动力学

基于模块化和可重构理论,提出一种助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人。该机器人既可组合成两足步行机器人,亦可作为四足步行机器人使用。运用影响系数理论和虚功原理,对四足步行机器人静态步行时的摆动腿和机体机构进行动力学建模,导出摆动腿的动力学方程和机体机构超确定输入下的协调方程,按加权最小二乘法对四足并联腿步行机器人机体机构的动载进行最优协调分配,解决了机器人在行走过程中各分支运动约束而产生的动力耦合问题。

助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真

结合并联腿步行机器人和可重构机器人的优点,设计了一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人,进行了该机器人的构型设计。以四足并联腿步行机器人为研究对象,根据步行机器人整机的结构特征和基本并联腿的运动特征,将整机的运动学问题转化为单个并联腿的运动学问题,建立了机器人整机系统的完整的运动学模型,进行了机器人在爬行步态下的仿真分析,得出了驱动器杆长的仿真曲线。该项研究为四足并联腿步行机器人整机的动力学分析和控制奠定了一定的基础。

军用轮、腿混合四足机器人设计

为设计一种可以在迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式之间灵活转换的轮、腿混合四足机器人,提出一种采用3-PUPS机构的超冗余、可变胞并联机械腿,其构型可以通过伺服电机的抱闸锁定实现变胞变换,从而使机械腿能根据任务需求实时改变自身构型和性能。在建立机械腿3-PUPS机构的运动学和静力学模型基础上,通过定义运动学和静力学性能评价指标,分析了机械腿尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,从而确定机械腿一组使机械腿运动学和静力学性能较为均衡的结构参数,并研制出机械腿的实验样机。建立轮、腿混合四足机器人整机的通用运动学模型,定义机器人整机的性能评价指标,分析机器人整机尺寸参数对其各性能评价指标的影响规律,并确定整机尺寸参数值,在此基础上完成了轮、腿混合四足机器人整机的设计方案。通过一套专用机器人标定系统对机械腿的实验样机进行位姿测量实验。研究结果表明:机械腿运动平台的实际运动沿x轴方向最大偏差为0.041 mm,沿y轴方向最大偏差为0.040 mm,沿z轴方向最大偏差为0.040 mm;绕z轴姿态角最大偏差为0.041°,绕y轴姿态角最大偏差为0.043°,绕x轴姿态角最大偏差为0.045°;机械腿实验样机达到了通用式工业机器人的精度水平。

三自由度并联机械腿静力学分析与优化

为了对六足机器人的并联机械腿进行静力学优化设计,提出了一种同时考虑约束力映射关系和驱动力映射关系的腿部机构静力学优化设计方法,进而对结构参数进行了优化。在对腿部机构进行了驱动、约束映射分析的基础上,分别建立了腿部机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵;基于驱动雅可比矩阵建立了腿部机构的驱动静力传递平衡方程,定义了驱动静力学性能评价指标并绘制了评价指标分布图,分析了结构参数与驱动静力评价指标之间的关系;基于约束雅可比矩阵建立了腿部机构的约束静力传递平衡方程,定义了约束静力学性能评价指标,分析了结构参数与约束静力评价指标之间的关系;基于驱动、约束静力学性能评价指标,采用蒙特卡罗法对结构参数进行了优化设计,计算结果表明,固定平台结构参数为200mm、中间连接杆结构参数为70mm、运动平台结构参数为50mm、支链1和3的最小杆长为530mm、支链2的最小杆长为330mm、支链1和3的最大杆长为900mm、支链2的最大杆长为600mm时腿部机构的静力学综合性能最好。本文分析结果为六足步行机器人的进一步分析研究奠定了基础。

六足步行机器人的并联机械腿设计

将并联机构用于六足步行机器人的腿部结构,以拓展六足步行机器人的应用领域。提出了一种基于(U+UPR)P+UPS机构的并联机械腿,并对机械腿进行了结构参数设计。首先,对腿部机构进行了运动学分析,推导出了腿部机构的位置反解方程和速度传递方程;分析了腿部机构的工作空间并绘制了工作空间三维图,定义了工作空间性能评价指标,绘制了结构参数与工作空间性能指标的关系曲线。然后,对腿部机构进行了运动灵活性分析并绘制了雅克比矩阵条件数分布图,定义了运动灵活性评价指标,绘制了结构参数与运动灵活性指标的关系曲线。最后,基于工作空间性能指标和运动灵活性指标,采用蒙特卡罗法进行了结构参数分析,选取了一组性能较好的结构参数并考虑加工和装配工艺性,设计了一种新型3自由度并联机械腿的虚拟样机,为六足步行机器人的进一步研究奠定了基础。

轮腿混合机器人机械腿动力学建模与驱动预估

提出了一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合四足军用机器人,它采用一种基于3-UPS机构的6自由度并联机械腿,对并联机械腿进行了动力学建模与驱动参数峰值预估。通过矢量回路法推导出机械腿的机构传递映射模型,并建立了机构的雅可比矩阵;采用非保守系统的拉格朗日方程建立了机械腿的动力学模型,得到了驱动参数与机械腿的运动函数之间的显式方程。通过机械腿的动力学模型,对6个伺服电机的驱动转速、力矩进行了峰值预估分析,计算出各伺服电机中的最大理论转速为19.7 r/s,最大理论力矩为71 m N·m.通过一个具体的机械腿设计方案和结构参数算例,分析了机器人按照"1-2-3-4"循环步态迈步行走过程中,其6个伺服电机的瞬时转速、瞬时力矩随时间的变化规律曲线,并计算出此算例的伺服电机最大转速为15.3 r/s,最大力矩为48.1 m N·m,均小于预估模型中的预估理论极限峰值,通过计算得出算例的伺服电机选型预估功率为77 W,算例结果证明了所建立的驱动参数峰值预估模型的合理性。