崎岖地形环境下四足机器人的静步态规划方法

为了使四足机器人能够通过姿态调整提高其自身的地形适应性,给出了机器人姿态调整角的计算方法。四足机器人在行走过程中通过躯干的摆动增加稳定裕度,并使用五次曲线对躯干运动轨迹进行规划,保证了整个运动过程的连续性。另外,为克服机器人无法获取地形信息的不足,规划了一种矩形摆动足足底轨迹。仿真实验结果表明:使用提出的静步态规划方法,四足机器人可以在未知地形信息的情况下,实时、自主、稳定地通过复杂度较高的崎岖地形。     

基于能量规划的崎岖地面四足机器人平面跳跃控制

针对四足机器人传统奔跑控制方法中存在的俯仰角波动以及崎岖地形适应问题,提出了一种基于Trot具有前后脚同时支撑步态的崎岖地形跳跃控制方法。建立了步态支撑相平面运动模型,并通过虚拟模型控制,实现了躯干平面运动控制解耦。对虚拟模型中躯干的运动过程进行了能量规划,计算出纵向虚拟位置刚度,实现了跳跃周期控制;通过水平方向虚拟力的比例控制实现了机器人水平运动速度控制;采用大位置误差增益的PD控制方法实现了躯干姿态控制,保证了跳跃过程中躯干俯仰角的稳定。在虚拟物理仿真环境中建立了四足机器人的平面虚拟样机,对控制方法进行了仿真实验以及在假设条件不满足情况下的鲁棒性测试,仿真实验结果表明了该方法对跳跃控制的有效性。     

双足机器人动态上下楼梯的规划与控制

针对双足机器人上、下楼梯时的稳定行走问题,结合机器人动态上、下楼梯的约束条件,规划双足机器人动态上、下楼梯的步态,并提出了相应的稳定性控制策略。其中,机器人侧向平面采用保持机器人质心动态平衡的规划方法,通过调整躯干侧向最大偏移量,实现机器人侧向平面的稳定;机器人前进方向和重力方向采用三次多项式拟合的步态规划方法,通过传感器反馈的躯干姿态角及相应的角速度信息,结合楼梯台阶信息,调整机器人前进方向和重力方向质心的位置,保证机器人运动的稳定性。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于地形聚类分析的移动机器人速度自适应控制

为实现移动机器人在不同地形环境中的速度自适应调整,提出一种利用机器人自身振动信息进行地形聚类分析并根据聚类结果进行运动速度自适应调整的方法。该方法基于机器人在运动过程中竖直方向的加速度信息及俯仰角信息,采用改进的高斯混合模型进行聚类分析,获得该地形相对于典型地形的隶属度,并结合地面的坡度起伏信息,通过模糊控制策略实现了机器人运动速度的自适应控制。为验证本文方法的正确性和实用性,利用Pioneer 3-AT四轮驱动全地形机器人平台进行了相关实验,实验结果表明,本文方法可使机器人准确地对不同地形进行聚类分析并实现了其在不同地形环境下的速度自适应调整,有效增强了机器人的地形适应性。     

四足机器人不规则地形稳定方法研究

当四足机器人行走在不规则的地形中时,会受到意料之外的干扰导致机器人失去平衡。为解决该问题,设计一个应用于18个自由度的四足机器人平衡控制器,在机器人受到外界干扰时能够恢复其平衡;该平衡控制器通过PD控制器计算机器人恢复平衡所需加速度,并据此提出一种四足机器人平衡算法;该算法建立独立关节空间,采用贝塞尔曲线法对机器人足端进行规划。实验结果表明,该算法能够在机器人受到外界干扰时及时调整机器人的主体位置方向来维持平衡。     

液压四足机器人的自适应模糊PID控制

为提高液压四足机器人的控制性能和足端轨迹跟踪效果,将自适应模糊PID算法用于机器人腿关节控制,并对PID参数进行实时增量调节.建立阀控非对称缸系统的数学模型,分析其伸出和缩回运动时由非线性、参数时变等因素导致的控制问题,利用AMESim-Simulink联合仿真模型对算法的控制效果进行了仿真,并在单腿试验平台上进行了实物样机测试.结果表明:自适应模糊PID算法的控制效果在减小调节时间、抑制干扰等方面相比常规PID有较大改善.该控制算法提高了机器人的动态跟踪性能,易于工程应用,有利于机器人的运动控制.     

液压驱动四足机器人变刚度力跟踪控制

针对液压驱动机器人在变刚度条件下力控制问题,建立了液压驱动四足机器人系统的阻抗模型和带有弹性负载的阀控缸模型.分析系统刚度变化对系统性能的影响,指出常规控制策略在精确足力跟踪控制中的不足,结合变刚度条件下阻抗模型和电液位置伺服系统的特点,提出实现精确足力跟踪的模糊自适应PID位置内环控制和模糊阻抗外环控制的复合控制策略.在半实物仿真平台上进行变刚度条件下的足力跟踪实验,仿真结果表明：在变刚度条件下,足力跟踪曲线最大超调及稳态误差均小于5%,调整时间基本相同,验证了所提控制策略的有效性.     

基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人轨迹规划与步态分析

本文提出一种基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人.用改进复合曲线法规划了机械腿足端行走点轨迹.在四足步行机器人的足端行走点沿前进方向的加速度曲线为正弦函数,沿竖直方向的加速度曲线为分段函数的情形下,通过对前进方向、竖直方向加速度曲线两次积分得到足端轨迹曲线.由足端轨迹曲线变化规律可以得到其运动过程无突变点,足端可以实现无冲击抬腿与着地.仿真实验表明足端速度与加速度曲线与理论曲线一致,验证了理论计算的正确性.使用ZMP方法,通过对比分析机器人在运动过程中的重心调整量以及稳定裕度值得到最优步态.该四足步行机器人具有运动平稳且灵活的特性,适用于田垄等崎岖路面上需要大的移动步幅来运输重物的应用场合.     

液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

论文主要介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境,具有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／马的生物仿生,构造了具有被动结构、基于液压驱动的四足机器人腿关节结构,满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型,规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。     

四足机器人跳跃步态控制方法

针对四足机器人的奔跑控制问题,提出一种基于跳跃(Bound)步态的奔跑控制方法,通过腿部的快速小幅度摆动实现四足机器人的Bound步态。使用有限状态机将机器人的一个运动周期分为6个阶段,其中前腿与后腿各3个阶段,触地缓冲阶段采用竖直弹簧阻尼模型,蹬地阶段使用虚拟模型调整腿部对地推力方向,摆动相使用贝赛尔曲线规划足端轨迹。通过在动力学仿真软件中构建与液压驱动四足机器人SCalf-II同尺寸、同质量的虚拟样机对所提出的方法进行仿真验证与测试,结果表明机器人在5个周期后形成了有较强周期性的Bound步态,前进方向速度波动较小,各关节运动范围、速度、力矩均在SCalf-II设计指标之内,从而验证了该方法的正确性和有效性。     

Stable walking of quadruped robot on unknown rough terrain

Quadruped robot is considered to be the most practical locomotion machine to negotiate uneven terrain, and shows superb stability during static walking. To improve the ability to go over rough terrain, this paper is focused on the stable walking and balance control of quadruped robots. 24 kinds of walking gaits are analyzed in order to derive the most stable and smoothest walking gait. Considering the inefficiency to model a terrain by its specified appearance, a uniform terrain model is established and by means of kinematic analysis, a method to adjust the body posture and center of gravity (COG) height is presented. Simulations demonstrate the effectiveness of the proposed method and the improvement of the adaptation of quadruped robots on rough terrain.     

四足机器人静-动步态平滑切换算法

为提高四足机器人对不同地形的适应能力,给出间歇静步态向对角小跑步态切换(walk-to-trot)的不同情况以及最优(在保证稳定切换的前提下,实现速度的平滑变换和不同步态情况下的最短时间切换)切换方法。为保证步态切换过程中的平滑性,给出关于时间的速度公式,使机体重心保持恒定加速度;为保证切换阶段的稳定性,利用改进的泛稳定裕度判别法(wide stability margin method, MWSM),通过调整足端与质心相对位置,消除步态变换过程中由惯性力导致零力矩点后移对稳定性的影响。基于Webots仿真软件,建立四足机器人仿真模型,验证方法的可行性和有效性。该方法可应用于间歇静步态中的6个状态点并将其平滑、稳定的切换为对角小跑步态。     

Novel algorithm of gait planning of hydraulic quadruped robot to avoid foot sliding and reduce impingement

In order to solve kinematic redundancy problems of a hydraulic quadruped walking robot, which include leg dragging, sliding, impingement against the ground, an improved gait planning algorithm for this robot is proposed in this paper. First, the foot trajectory is designated as the improved composite cycloid foot trajectory. Second, the landing angle of each leg of the robot is controlled to satisfy friction cone to improve the stability performance of the robot. Then with the controllable landing angle of quadruped robot and a geometry method, the kinematic equation is derived in this paper. Finally, a gait planning method of quadruped robot is proposed, a dynamic co-simulation is done with ADAMS and MATLAB, and practical experiments are conducted. The validity of the proposed algorithm is confirmed through the co-simulation and experimentation. The results show that the robot can avoid sliding, reduce impingement, and trot stably in trot gait.     

Slope Terrain Locomotion Control of a Quadruped Robot Based on Biological Reflex CPG Model

Inspired by the neuronal principles underlying the tetrapod locomotion,this paper proposed a biomimetic vestibular reflex central pattern generator(CPG) model to improve motion performance and terrain adaptive ability of a quadruped robot in complex situations,which is on the basis of central pattern generator (CPG) model constructed by modified Hopf oscillators.The presented reflex model was modified in the light of the particular joint configuration of the quadruped robot and the trot gait pattern.Focusing on slop locomotion of the quadruped robot with trot gaits,the cosimulations of the ADAMS virtual prototype,CPG mathematical expressions with vestibular reflex and Simulink control model were conducted.The simulation results demonstrated that the presented CPG controller with vestibular reflex was more efficient and stable for the quadruped robot trotting on slopes,compared with the different trotting control models.     

基于Bezier曲线的四足机器人Trot步态优化

为实现四足机器人的稳定行走,需要对其足端轨迹进行合理规划。首先,以Bezier曲线为基础,规划四足机器人的足端轨迹,并依据足端轨迹约束条件对足端轨迹进行优化;其次,通过多组对比实验确定出最优的一组控制点坐标,设计四足机器人的足端轨迹,并找到最佳的步长和抬腿高度组合;最后,基于Matlab/Simulink搭建仿真平台进行仿真实验,与应用复合摆线规划的足端轨迹在足端落地时的冲击力、质心的波动范围、机体的偏航距离、前进距离4个方面进行比较,分析四足机器人的稳定性。仿真结果表明：采用Bezier曲线规划的足端轨迹,提高了机器人运动的稳定性。     

Walking Stability Control Method for Biped Robot on Uneven Ground Based on Deep Q-Network

A gait control method for a biped robot based on the deep Q-network (DQN) algorithm is proposed to enhance the stability of walking on uneven ground. This control strategy is an intelligent learning method of posture adjustment. A robot is taken as an agent and trained to walk steadily on an uneven surface with obstacles, using a simple reward function based on forward progress. The reward-punishment (RP) mechanism of the DQN algorithm is established after obtaining the offline gait which was generated in advance foot trajectory planning. Instead of implementing a complex dynamic model, the proposed method enables the biped robot to learn to adjust its posture on the uneven ground and ensures walking stability. The performance and effectiveness of the proposed algorithm was validated in the V-REP simulation environment. The results demonstrate that the biped robot''s lateral tile angle is less than 3° after implementing the proposed method and the walking stability is obviously improved.     

新型煤矿救援机器人的特殊运动逆运动学

针对新型煤矿救援机器人头部单元的特殊运动（位姿调整）,提出了一种基于空间分割和遗传算法相结合的新方法求解其逆运动学.该方法能以最小的转动代价实现期望的位姿,有利于保持机器人稳定.采用二次空间分割法,解决了遗传算法搜索空间大,难以收敛到全局最优解的问题.仿真实验结果表明,采用新的逆运动学算法得出的位姿误差较小,而且关节角...     

基于三维空间曲线的四足机器人轨迹规划

四足机器人在对角小跑运动下的稳定性问题是当前四足机器人研究的热点,故分析了机体力矩对机体运动过程中稳定性的影响,提出一种新的足端轨迹函数。首先对机器人进行运动学分析,参照优宝特型四足机器人建立三维模型并搭建了仿真环境;然后分析机体力矩,得出机体翻转原因,即机体腿部摆动对机体产生的反作用力矩和重力产生的倾覆力矩以及运动中足端所受到的冲击力矩。在此基础上,通过利用机器人摆动腿侧摆关节运动提供一个力矩以平衡部分反作用力矩和倾覆力矩,提出了一种基于三维空间曲线的足端轨迹规划。最后,通过对比仿真实验验证了所提足端轨迹规划的有效性和正确性。     

Force-feedback based active compliant position control strategy for a hydraulic quadruped robot

Most existing legged robots are developed under laboratory environments and,correspondingly,have good performance of locomotion.The robots‘ability of walking on rough terrain is of great importance but is seldom achieved.Being compliant to external unperceived impacts is crucial since it is unavoidable that the slip,modeling errors and imprecise information of terrain will make planned trajectories to be followed with errors and unpredictable contacts.The impedance control gives an inspiration to realize an active compliance which allows the legged robots to follow reference trajectories and overcome external disturbances.In this paper,a novel impedance force/position control scheme is presented,which is based on Cartesian force measurement of leg's end effector for our hydraulic quadruped robot The simulation verifies the efficiency of the impedance model,and the experimental results at the end demonstrate the feasibility of the proposed control scheme.