足球机器人腿部机构在受到零力矩点扰动的影响时,会出现步态失稳现象,为此提出基于行走振动抑制和最优控制律的足球机器人腿部机构设计与步态规划方法。根据足球机器人腿部各机构的运动位姿、速度等信息构建腿部机构动力学模型;依据动力学模型对腿部机构进行参数辨识,建立行走振动抑制及控制律模型、机器人腿部机构与步态协调对应的状态空间模型,采用跟踪误差和反馈调节方法实现最优控制律设计,完成足球机器人腿部机构与步态规划联合控制。仿真结果表明,采用该方法进行足球机器人腿部机构设计和步态规划稳定性较好,机器人步态跟踪的误差较小,误差跟踪自适应调节能力较强,鲁棒性较好。

为实现双足机器人步行运动,提出了一种双足机器人平地行走步态规划算法并对其进行动力学仿真验证。首先利用二维倒立摆模型以及五次多项式分别对机器人质心、踝关节运动轨迹进行规划,再通过建立机器人运动状态几何模型,对运动过程中机器人腿部关节运动轨迹进行规划,得到关节角运动轨迹,借助MATLAB仿真获取机器人下肢各个关节运动曲线。然后利用动力学仿真软件Adams对虚拟样机进行仿真,实现了机器人虚拟环境下的平地稳态行走,仿真验证了步态规划算法的可行性。

机械外骨骼是一种能够与人体自身运动协调配合的复杂机械系统。从人体下肢结构和步态研究角度出发,提出并设计了一种适用于人体负重状态时的下肢助力机械外骨骼,在助力人体下肢运动的同时提高人体负载能力。设计以人体下肢结构为基础,利用Solidworks三维设计软件建立了下肢机械外骨骼的三维模型。之后通过对人体步态的分析,建立了人体下肢运动学模型,并通过matlab/simulink软件建模进行仿真分析,得到结果与CGA标准曲线对比验证模型正确,进而实现步态规划与轨迹控制。最后通过Solidworks/Motion对装置模型进行动力学仿真分析。结果表明,机构可以实现人体步态行走。

外骨骼式下肢助行机器人的步态轨迹是当今研究的热点问题,稳定合理的步态运动是外骨骼有效辅助人体的基本保障。针对外骨骼式下肢助行系统的步态轨迹问题,基于零力矩点(ZMP)理论,采用五点规划法将人体步态划分为5个特殊姿态点,并求解相应的位置和角度坐标。利用MATLAB平台的三次样条插值函数模块,求解这些特殊点的三次样条曲线,仿真出髋关节和踝关节的轨迹曲线。最后根据ZMP动态轨迹方程,求解外骨骼系统的ZMP曲线,结果表明步态轨迹连续光滑,与理想的重心轨迹方向一致,符合外骨骼系统的轨迹路径要求。

提出了一种基于3-CUR并联机构的轮腿式机器人,其具有轮式的移动速度快和腿式的越障能力强的优点,并具备并联机构的刚度大、承载能力强等优势。对3-CUR轮腿式机器人进行结构设计,且对3-CUR并联机构进行研究分析,得到其具有3-DOF(两转一移)。通过运动空间需求量和最大稳定裕度对比分析,得到3-CUR轮腿式移动机器人在行走状态的最佳步态。利用SOLIDWORKS模拟了机器人在平地和沟壑的行走过程,得到了机器人的最大步长与步高;分析了机器人的质心变化情况,得到该机器人在行走过程中平稳性良好,可用于复杂、危险环境的探测和救援。

为满足越来越多的脑卒中患者辅助行走和康复训练的需要,设计了一款下肢外骨骼机器人模型,采用D-H参数法建立踝关节、膝关节、髋关节坐标系,推演出步态周期内的坐标方程。为了安全起见,要求脑卒中患者步行速度慢且步长短,利用CoG(Center of Gravity,重心地面投影点)作为步态规划中的稳定性判断依据,并用Robotics Toolbox for Matlab仿真,结果表明下肢外骨骼康复机器人在康复训练过程中各关节具有连续且稳定的步态轨迹,为后续脑卒中患者使用的下肢外骨骼康复机器人样机研制提供了必要的理论依据。

针对康复训练患者和治疗医师需求,提出一种新型下肢康复机器人,并对其进行被动式控制系统设计。使用Solidworks建立三维模型,制造样机并进行控制系统设计。建立运动学模型,并且对下肢康复机器人进行运动分析,结合CGA临床步态数据和RLA人体下肢步态,进行下肢康复机器人的运动轨迹规划。采用PID控制方法对运动轨迹进行跟踪控制,运用Simulink进行模拟仿真。设计基于位置阻抗的控制策略,使实际位置跟踪目标位置,以达到人机运动协调的目的。搭建控制系统平台,并且对样机进行周期步态速度检验和轨迹跟踪检验。

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。

随着机器人工作范围越来越广泛,运行环境情况也更加复杂,为了解决传统刚性连杆多足机器人对环境适应性不足,设计一种采用柔性材料、基于Arduino平台控制的气动仿生四足机器人。机器人本体采用16根气动人工肌肉进行驱动,单腿配置采用菱形布局的4根气动人工肌肉,模拟生物肌肉驱动通过气动人工肌肉组对以充放气实现的拉伸力摆动四足。通过Arduino编程协调16个开关量的先后顺序改变三位五通电磁阀的工作位来控制四条腿的摆动顺序,从而对机器人进行步态规划,并通过相关实验实现了多种步态动作模式。

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