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基于运动发散分量的四足机器人步态规划

浙江大学学报（工学版） 2021年第2期55卷 244-250,409页

作者：刘明敏曲道奎徐方邹风山贾凯宋吉来中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110016 中国科学院大学北京100049 沈阳新松机器人自动化股份有限公司辽宁沈阳110168

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步... 详细信息

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量(DCM)的在线步态规划方法.将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型(LIPM),根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点(ZMP)约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩.通过仿真验证以上算法,仿真结果表明:与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.

关键词：四足机器人步态规划运动发散分量(DCM) 线性倒立摆模型(LIPM) 零力矩点(ZMP)

基于虚拟样机的双足机器人多目标步态规划研究

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系统仿真学报 2024年

作者：张彦凯王雪松金雨斌张东升兰州陇能电力科技有限公司西安交通大学

双足机器人步态规划是其高效稳定行走的关键，而且机器人步态极具个性化，与自身动力学和驱动特性密切相关，本文针对目前步态规划中难以兼顾个性化和性能的问题，提出了完整的解决方案。首先根据中国人的身体结构设计了平面欠驱动双足... 详细信息

双足机器人步态规划是其高效稳定行走的关键，而且机器人步态极具个性化，与自身动力学和驱动特性密切相关，本文针对目前步态规划中难以兼顾个性化和性能的问题，提出了完整的解决方案。首先根据中国人的身体结构设计了平面欠驱动双足机器人缩比样机，采用辨识方法获得机器人精确惯性参数；其次建立了机器人虚拟样机，设计了包括速度、能耗、稳定性三项机器人行走的优化目标，采用改进NSGA-Ⅱ算法解出了机器人多目标步态规划问题Pareto最优解集；通过仿真实验获得了不同速度下的符合人体行走规律且具有多样性的步态，证明了本文研究方案的有效性。

关键词：双足机器人步态规划多目标优化虚拟样机

轮-履-腿复合仿生机器人步态规划及越障性能分析

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工程设计学报 2022年第2期29卷 133-142页

作者：芮宏斌李路路曹伟王天赐段凯文吴莹辉西安理工大学机械与精密仪器工程学院陕西西安710048

为了提高移动机器人的越障性能,实现其自主越障,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,并对其进行步态规划和越障性能分析。首先,以海龟为仿生对象,通过分析其身体结构和稳定机理,设计了机器人的轮-履-腿复合式移动机构和二自由度支腿结构... 详细信息

为了提高移动机器人的越障性能,实现其自主越障,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,并对其进行步态规划和越障性能分析。首先,以海龟为仿生对象,通过分析其身体结构和稳定机理,设计了机器人的轮-履-腿复合式移动机构和二自由度支腿结构;同时,基于该机器人的结构特征,利用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立了坐标系并求解了其支腿的运动学方程。然后,通过观察海龟的爬行过程,将其单个爬行步态周期内的动作分解成放腿、爬行、抬腿和摆腿,并结合运动学模型对机器人进行步态规划,提出了4种仿海龟爬行步态。接着,以机器人的四腿爬行步态为例,利用静力学方法分析了其支腿关节的受力情况,而后通过分析机器人跨越壕沟和攀越台阶的过程,以最大跨越壕沟宽度和攀越台阶高度为指标对其越障性能进行了评价。最后,制作了机器人实验样机,开展了步态实验和越障实验。实验结果表明,该机器人可以利用4种仿海龟爬行步态实现横向移动、纵向移动和原地旋转,且具有很好的越障性能和稳定性;机器人能跨越最大宽度为434 mm的壕沟,攀越最大高度为175 mm的台阶。实验结果进一步验证了所设计的仿海龟机械结构可行,所规划的仿海龟爬行步态合理,以及所建立的越障理论模型正确。研究结果可为移动机器人的结构优化和越障性能提升提供借鉴。

关键词：仿生机器人越障性能步态规划运动学方程 D-H法

6-URU支链四面体移动机构的越障步态规划

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机械工程学报 2021年第23期57卷 85-96页

作者：赵子铭李晔卓姚燕安李锐明张倩倩北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京理工大学智能机器人与系统高精尖创新中心北京100081

针对多面体机器人的高地面适应性需求,提出一种适用于四面体移动机构的高质心攀爬越障方法,能够通过三自由度同步变形提升质心高度有效提升攀爬能力。首先,基于四面体移动机构的支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,在台阶障碍进行... 详细信息

针对多面体机器人的高地面适应性需求,提出一种适用于四面体移动机构的高质心攀爬越障方法,能够通过三自由度同步变形提升质心高度有效提升攀爬能力。首先,基于四面体移动机构的支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,在台阶障碍进行投影畸变,由此规划出该机构针对台阶障碍的分步越障阶段,通过构造凹多面体包附障碍提升攀爬高度。针对高质心攀爬步态的各个阶段分别建立临界状态运动学模型,通过齐次变换矩阵得到机构质心坐标关于障碍高度和障碍距离的表达式,根据数值算法得到最大越障高度随驱动角和障碍距离的变化曲线,执行至不同障碍阶段以实现不同高度障碍的越障攀爬。建立仿真模型,验证越障分析过程合理性。制作一台样机,对高质心攀爬越障步态进行可行性验证。

关键词：四面体机构移动机构运动规划越障能力步态规划

金属矿山井下采场六足机器人运动分析及步态规划

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金属矿山 2024年第4期 193-201页

作者：张旭飞王运森孟祥凯王瑜周红李元辉山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿山东莱州261441 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819

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... 详细信息

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。

关键词：足式机器人六足机器人步态规划采矿机器人足端轨迹

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两栖仿海龟机器人步态规划及分析

机械科学与技术 2023年第1期42卷 46-52页

作者：芮宏斌李路路曹伟西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

针对清淤机器人移动困难、稳定性差等问题,参考海龟的身体结构和爬行动作,设计出了一种两栖仿海龟机器人。在介绍机器人结构的基础上,利用D-H方法对机器人进行运动学分析,建立并求解了支腿的变换矩阵和运动学方程;规划了两种仿海龟爬行... 详细信息

针对清淤机器人移动困难、稳定性差等问题,参考海龟的身体结构和爬行动作,设计出了一种两栖仿海龟机器人。在介绍机器人结构的基础上,利用D-H方法对机器人进行运动学分析,建立并求解了支腿的变换矩阵和运动学方程;规划了两种仿海龟爬行步态,根据机器人结构规划了电推缸的行程空间,并对足端轨迹和爬行步态做以优化;在ADAMS中进行运动仿真,分析了机体的位移和速度变化曲线。结果表明,优化后的步态可以大大提高机器人的爬行速度和稳定性。

关键词：仿海龟机器人运动学分析 D-H方法步态规划轨迹规划 ADAMS

缓冲/行走一体化着陆器运动学研究与步态规划

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宇航学报 2021年第4期42卷 467-476页

作者：贾山周向华陈金宝赵建华张胜南京航空航天大学航天学院南京211106 航天进入减速与着陆技术实验室南京211106 深空星表探测机构技术工信部重点实验室南京211106

针对未来深空探测领域载人登陆、星表物资转运和基地建设等任务需求,提出了一种缓冲/行走一体化六足着陆器,并进行了步态规划和仿真校验。首先介绍了着陆器构型和驱动/吸能集成式缓冲器功能实现;其次,建立了UP+2UPS三自由度悬臂式腿足... 详细信息

针对未来深空探测领域载人登陆、星表物资转运和基地建设等任务需求,提出了一种缓冲/行走一体化六足着陆器,并进行了步态规划和仿真校验。首先介绍了着陆器构型和驱动/吸能集成式缓冲器功能实现;其次,建立了UP+2UPS三自由度悬臂式腿足机构运动学模型,推导了以UP为主运动链的逆运动学,以及由UP主链旋转运动向2UPS支链伸缩运动的映射,并分析了其工作空间;第三,设计了行走与转弯步态,推导了足端迈步轨迹与各主动驱动关节伸缩轨迹之间的对应关系;最后,建立了该着陆器的虚拟样机模型,校验了腿足机构运动平稳性和着陆器步态行走稳定性。结果表明:所提出的着陆器腿足机构运动平稳,行走过程中本体无较大起伏和偏移、步态稳定裕度高,可为未来开展非确知复杂星表环境下的稳定着陆、移动探测、物资运输、基地建设等任务提供一种可行的装备方案。

关键词：缓冲/行走一体化六足着陆器运动学步态规划

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4足机器人腿部机构运动学分析及步态规划

北京理工大学学报 2020年第4期40卷 401-408页

作者：马广英刘润晨陈原高军徐丕兵山东大学机电与信息工程学院山东威海264209 青岛市技师学院轨道交通学院山东青岛266229

为提高足式机器人的承载能力与运行稳定性,提出了一种基于3UPR并联机构的4足机器人,并对其运动性能进行分析.运用螺旋理论对该机构进行自由度分析,通过位置反解模型对机器人腿部机构进行运动学分析,得到驱动进给量和驱动速度.通过ADAMS... 详细信息

为提高足式机器人的承载能力与运行稳定性,提出了一种基于3UPR并联机构的4足机器人,并对其运动性能进行分析.运用螺旋理论对该机构进行自由度分析,通过位置反解模型对机器人腿部机构进行运动学分析,得到驱动进给量和驱动速度.通过ADAMS仿真与理论计算结果的数据对比,验证模型建立的正确性.通过求解速度雅克比矩阵对机构进行奇异性分析.根据单腿的运动轨迹,对机器人进行对角步态规划.结果表明该机构具有X、Z方向转动和Y方向移动的3个自由度.该机构不存在奇异位置,且具有良好的运动性能.步态仿真结果表明,机器人可以在平地上实现平稳运动,前进速度达到135 mm/s.

关键词： 4足机器人 3UPR并联机构运动学反解奇异性分析步态规划

基于Hopf振荡器的船舱检测机器人步态规划研究

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机床与液压 2022年第24期50卷 37-44页

作者：眭翔周瑞吉徐林森刘进福龙杰李泽林中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230031 常州信息职业技术学院常州市高端制造装备智能化技术重点实验室江苏常州213164 中国科学院合肥物质科学研究院安徽合肥230031 河海大学机电工程学院江苏常州213022 常州工业职业技术学院智能控制学院江苏常州213164

船舶等海洋工程装备其舱内具有设备众多、空间受限和结构复杂等特点,传统人工巡检不能解决安全和效率的问题。针对这些问题,结合仿生技术,采用负压吸附和电磁吸附两种吸附方式,设计一种船舱检测的多模式攀爬机器人,该机器人能够在狭小... 详细信息

船舶等海洋工程装备其舱内具有设备众多、空间受限和结构复杂等特点,传统人工巡检不能解决安全和效率的问题。针对这些问题,结合仿生技术,采用负压吸附和电磁吸附两种吸附方式,设计一种船舱检测的多模式攀爬机器人,该机器人能够在狭小空间运动,并且能够适应不同材质的壁面。基于改进的D-H参数法建立机器人运动学模型,进行运动学正解、逆解的计算;分析机器人运动步态,对比传统的步态控制方法,提出基于Hopf振荡器的机器人步态规划策略;搭建样机控制平台,进行步态控制对比测试。实验结果验证了多模式船舱检测机器人的步态规划的稳定性,为船舶等海工装备新形态检测机器人的研究拓展了新的思路。

关键词：多模式攀爬机器人 Hopf振荡器步态规划