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.

Design of a novel side-mounted leg mechanism with high flexibility for a multi-mission quadruped earth rover BJTUBOT

Earth rover is a class of emerging wheeled-leg robots for nature exploration.At present,few methods for these robots’leg design utilize a side-mounted spatial parallel mechanism.Thus,this paper presents a complete design process of a novel 5-degree-of-freedom(5-DOF)hybrid leg mechanism for our quadruped earth rover BJTUBOT.First,a general approach is proposed for constructing the novel leg mechanism.Subsequently,by evaluating the basic locomotion task(LT)of the rover based on screw theory,we determine the desired motion characteristic of the sidemounted leg and carry out its two feasible configurations.With regard to the synthesis method of the parallel mechanism,a family of concise hybrid leg mechanisms using the 6-DOF limbs and an L1F1C limb(which can provide a constraint force and a couple)is designed.In verifying the motion characteristics of this kind of leg,we select a typical(3-UPRU&RRRR)&R mechanism and then analyze its kinematic model,singularities,velocity mapping,workspace,dexterity,statics,and kinetostatic performance.Furthermore,the virtual quadruped rover equipped with this innovative leg mechanism is built.Various basic and specific LTs of the rover are demonstrated by simulation,which indicates that the flexibility of the legs can help the rover achieve multitasking.

四足仿生机器人混联腿构型设计及比较

四足仿生机器人一直是机器人领域研究的热点之一。对国内外的研究现状和代表样机进行综述,总结现有四足机器人的腿构型的优缺点。混联腿构型结合了并联机构和串联机构的优点,可在提高机器人载重/自重比的同时,满足快速稳定响应的需求,从而实现高速、低能耗、高承载的运动。提出三种不同的3自由度混联腿机构,由1自由度的四杆机构和2自由度的平面并联机构串联组成。建立3种混联腿的运动学模型。根据四足机器人的行走设计需求,总结三种混联腿机构的特点,并建立其各自的工作空间模型。基于对角小跑的轨迹,分析三种混联结构在空间上的承载能力和各向同性度。通过对比分析选择第三种混联腿作为最优选项,并进一步与经典串联腿进行驱动力矩比较,证实混联腿的优越性。通过样机负重行走试验验证结果的可靠性,为四足混联腿机构机器人的后续研究奠定理论基础。

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。

基于球齿轮的新型轮腿复合式移动平台设计研究

复合式移动系统是当前移动机器人研究的热点之一。总结了已有的一些轮-腿复合式移动系统的研究成果及结构特点,提出一种基于球齿轮机构的新型轮-腿复合式移动平台的结构设计方案,这种新型移动平台的轮腿机构具有不同于已有轮-腿复合式移动系统独特的运动特征,在结构上可实现"轮"、"腿"的真正融合,使得平台具有轮式、腿式和轮-腿复合三种移动模式,可实现直行、斜行、小半径转弯甚至原地转弯等多种运动姿态。对轮腿机构进行了计算机虚拟模型运动仿真研究,并对平台样机进行了姿态调整实验,结果表明这种新型移动平台能够实现设定的多种复杂运动姿态。

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。

串并混联四足仿生机器人动力学建模与分析

对一种可快速行走、承载能力大及侧向解耦较好的串并混联四足仿生机器人进行动力学建模与分析。阐述了腿部机构的布局,进行了运动学分析,建立了具有显式的线速度雅可比矩阵,并推导了各构件的速度与末端线速度的显式表达式。采用Lagrange方程建立了显式的腿部机构动力学方程,推导了腿部机构的逆动力学方程。通过实例对腿部机构的逆动力学方程进行验证,分析了步长对驱动液压缸最大输出力的影响规律;依据逆动力学方程建立了仿生机器人的移动能耗性能指标,并对仿生机器人的移动能耗进行了分析。实例与分析表明,动力学方程理论推导正确;在腿部足端着地的瞬间各驱动液压缸产生最大输出力,与抬腿高度无关;在直线行走和侧向行走时,随着步长的增加,液压缸输出力单调增大;在腿部机构侧向行走时,3个驱动缸中侧摆缸输出力最大。

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。

串并混联仿生机械腿静力学性能分析

仿生机器人的腿部结构由一个两自由度平面并联机构和RPR机构串联组成,具有承载能力大、能够实现快速行走的特点。阐述了机械腿的布局形式,建立了两自由度平面机构的运动学模型。采用虚功原理,根据运动学模型建立了两自由度并联机构的静力学传递模型;利用矢量极值法建立了静力学承载能力性能评价指标和力矩输入均衡性能指标,得到了两项性能指标在工作空间内的分布情况,并对其在工作空间内的分布规律进行了分析。结果表明,两自由度平面并联机构的静力学承载能力性能指标和力均衡性能指标总体呈对称分布,静力学承载能力性能指标在工作空间的底部承载能力最大,向上逐渐减小,到达顶部最小;力均衡性能指标在工作空间中间部位较优,越趋近于边界,性能指标越差,对机构越不利。通过实例与仿真验证了静力学性能分析的正确性,为该串并混联机械腿承载时的轨迹规划提供了参考。

六轮腿复合型移动机器人越障分析及机构设计

面向无人化复杂野外环境考察及勘探的需求,以设计具有良好的机动性、通过性的自动勘察机器人为目标。进行了六轮腿复合型移动机器人本体的抗倾翻能力分析;选取了两种典型障碍沟和坎,对六轮腿复合型移动机器人本体的越障过程进行构型分析;进行了六轮腿复合型移动机器人本体的机构设计研究,重点设计了一种可以主动转动又能被动柔顺的轮腿复合移动机构;进行了机器人性能测试试验,验证了机器人本体的可靠性和实用性。

空间三自由度串并混联腿机构动力学建模

为了确定该混联腿机构的驱动参数,便于实时控制,首先对空间三自由度串并混联腿机构(2-UPS+U)进行了动力学建模和仿真。基于矢量法和虚功原理建立了该混联腿机构的动力学模型,推导出该混联腿机构的动力学方程。利用MATLAB软件对该动力学模型进行了数值算例分析,并采用ADAMS软件进行了仿真,验证了动力学方程的正确性和有效性,为其后续的控制和轨迹规划奠定了理论基础。

小型轮腿复合式越障车轮的设计与改进

为适应复杂地形的越障作业需要,设计出一种新型的轮腿复合式越障车轮。首先,对所设计机构的工作原理进行了介绍;其次,在三维设计软件SolidWorks中建立了轮腿复合越障车轮的三维CAD模型;最后,利用ANSYS软件对所设计的轮腿复合式越障车轮进行了受力分析,根据分析结果,对相关零件的结构进行了改进。对照改进前后的ANSYS受力分析结果可知:改进设计后,既减轻了质量和降低了转动惯量,又满足越障时的受力要求。

基于旋量理论的混联拟人机械腿的运动学分析

针对并联机构的强耦合性导致运动分析复杂化的问题,提出了一种包含部分解耦并联机构的新型6自由度混联拟人机械腿构型。首先,根据人体腿部的运动解剖特性,阐述了该混联机构的布局形式。其次,综合Paden-Kahan子问题与空间几何法,拓展了Paden-Kahan子问题在解决少自由度并联机构位置反解问题上的应用,求出了拟人机械腿的逆解方程;基于拟人机械腿机构的几何结构,采用代数法推导了位置正解的显示解析式。然后基于李代数se(3)的双线性对称形式(Klein型),推导出混联机械腿的运动学传递矩阵。最后通过数值算例验证了基于旋量理论建立的混联机械腿运动学模型的正确性,为该机构的进一步研究奠定了理论基础。

多足机器人混合驱动机构的特定轨迹分析与实验研究

引入混合驱动机构的多足机器人能够实现快速移动,同时具有良好的灵活机动能力。针对该类基于混合驱动机构的多足机器人腿部机构的足端轨迹运动控制问题,首先进行了混合驱动七杆机构的运动学分析,得到了机构末端点的轨迹曲线簇;然后利用线性插值方法寻找特定轨迹与轨迹曲线簇的近似交点序列;进而推导出相对应的曲柄角度和丝杠长度序列,从而控制曲柄电机和丝杠电机的运动实现特定足端轨迹。以直线轨迹和大跨步轨迹为例进行实验研究,其结果表明实际轨迹与理论轨迹的吻合程度较高,误差的波动范围较小,在机器人腿部机构的足端轨迹规划中应用上述方法具有可行性。

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。

串并混联四足机器人腿机构的设计及运动学分析

为了提高四足机器人的运动灵活性和复杂环境适应性,设计了一种R+{2-UPR+RPR}腿机构,并利用螺旋理论分析得知该机构具有两转动和一移动3个自由度;接着,根据空间中构件和运动副的位置关系,推导出运动学反解和正解方程,求解驱动构件速度、加速度;然后,借助Matlab计算软件和ADAMS仿真软件,通过对比运动学正反解的理论计算结果与仿真结果来验证正反解模型的准确性;最后,通过对机器人单腿的运动仿真,得到腿部机构的运动轨迹和速度变化情况,并对腿部机构的工作空间进行分析,得到其足端的可达工作范围及运动特点。结果表明,该腿部机构具有较好的工作适应性和运动灵活性,关节数少且较独立。