基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态控制方法

为提高四足机器人对角小跑运动的稳定性,实现机器人躯干6维运动方向控制的解耦,提出了一种基于虚拟模型的对角小跑步态控制方法.控制器主要包括支撑相虚拟模型控制和摆动相虚拟模型控制.在支撑相,建立了作用于躯干质心的虚拟力与对角支撑腿关节扭矩之间的数学关系,通过调整躯干虚拟力的大小控制躯干的高度与姿态,控制机器人前进速度和自转角速度.在摆动相,将机器人侧向速度控制引入到足端轨迹规划中,并通过虚拟的"弹簧-阻尼"元件驱动摆动足沿给定轨迹运动.此外,在控制器设计过程中,引入了状态机,用于监控机器人各腿的状态,并输出对角小跑步态相位切换指令.仿真实验结果表明,机器人能够以对角小跑步态在平地上进行全方位移动,跨越不平坦地形,并能够抵抗外部冲击,证明了文中控制方法的有效性和鲁棒性.     

带主动腰关节的四足机器人平稳运动控制

针对四足机器人在对角小跑运动时出现的后腿“拖地”、机体振荡的现象,提出了一种基于偏航方向上主动腰关节摆动的解决方法。通过D-H法对机器人各关节进行运动学建模,获得其运动学方程,并采用Kuramoto振荡器模型作为扩展的CPG耦合网络振子,实现对腰、腿关节的统一控制。仿真实验表明,经过腰关节控制优化后的机器人在对角小跑时,相对于刚体躯干的机器人,姿态角变化幅度显著减小,抬腿高度明显增加,有效地提高了机器人的运动稳定性,证明了方法的可行性。     

四足机器人对角小跑步态非线性控制方法仿真

针对现有的四足机器人对角小跑步态控制方法存在的机器人运动速度较慢、灵活性较差等问题,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态非线性控制方法。方法需要构建一个四足机器人模型,并在该模型的工作范围内建立一个平面直角坐标系,在不考虑机器人足端车轮滑动的情况下,将驱动四足机器人的运动方程转换成矩阵的形式,寻找有界输入平动线速度和转动角速度,使矩阵在其控制下产生的误差可以在大范围内保持稳定。求解该四足机器人在工作平面坐标系中姿态误差的微分方程,构造该微分方程的Lyapunov函数并对其求导,根据求导结果设计一个四足机器人驱动控制器,通过该驱动控制器实现对四足机器人的对角小跑步态非线性控制。仿真结果表明,所提方法能够在快速、灵活的情况下实现对四足机器人对角小跑步态的非线性控制,且鲁棒性较高,能够满足用户需求。     

基于重心动力学及虚拟模型的负载型四足步行平台对角步态控制方法

为提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性,减小较大的腿部质量及偏心质量对稳定行走的影响,提出融合重心动力学及虚拟模型的控制方法．应用虚拟模型控制方法对机身及摆动腿加速度进行求解．结合平台重心动力学模型得到其所受合外力,而后应用二次规划将平台合外力分配到支撑腿足端．接着运用逆向动力学和关节空间PD控制得到步行平台关节力矩．通过Adams和Simulink对负载型四足步行平台对角步态行走进行仿真,并将该方法与虚拟模型控制算法进行对比．结果表明重心动力学及虚拟模型控制方法能够使平台姿态角稳定在目标值附近,在平台受到侧向冲击情况下横滚角、俯仰角分别减小约42%、21.8%,在机身偏心全向行走过程中减小50%、89%．证明了所提控制方法能够有效应对较大的腿部质量及偏心质量的影响,提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性和鲁棒性．     

具有弹性连杆机构的四足机器人对角小跑步态控制

为了提高四足机器人的运动性能和抗冲击能力,设计了一种具有弹性连杆机构和线驱动系统的四足机器人,称为LCS(linkage-cable-spring)四足机器人.借鉴SLIP (弹簧负载倒立摆)模型,提出了基于着地角的速度控制策略和基于能量补偿的质心高度控制策略.采用姿态控制策略来提高对角小跑步态的运动稳定性.仿真实现了给定前进速度条件下稳定的对角小跑步态.搭建LCS四足机器人样机实验平台,完成了踏步、对角小跑步态行走实验.实验结果表明,LCS四足机器人运动过程中机身翻滚和俯仰角能控制在2?以内,并能平稳通过10 mm×10 mm小型障碍物.     

四足机器人躯干重心稳定的变步长行走研究

在机器人稳定性控制优化问题的研究中,四足机器人行走过程中躯干重心位置的波动是运动不平稳的一个重要原因,也会带来机器人的低能效比和机械寿命缩短等问题.为了解决上述问题,研究了四足机器人行走过程中保持重心稳定的方法,提出重心无波动关节运动规划方法.从静止加速到指定速度的过程,速度的增加按S型曲线变化,保证重心的平稳加速;在恒速行走过程中,以躯干重心位置变化的加速度为零、足端在起脚和落脚位置的冲击为零作为约束条件,计算出四足机器人各关节的运动函数,保证了行走过程的重心平稳.机器人行走的步长在行走过程中动态计算,计算依据是保证整个行走过程中重心在水平面的投影始终在机器人支撑脚所在多边形范围之内,可进一步减小重心在垂向的波动.对所提方法进行了计算机仿真,运动规划及关节驱动函数在Matlab中实时解算,运动过程的程序控制采用Matlab的状态机技术,四足机器人行走的动力学过程用Adams实时计算.仿真过程中四足机器人行走平稳,实际重心曲线在横向和垂向的偏移波动极小,表明提方法对于重心的控制是有效的,为机器人稳定行走设计提供了依据.     

四足机器人对角小跑中机体翻转分析与姿态控制

为了解决四足机器人对角小跑运动中机体绕对角线翻转的问题,在理论分析翻转原因的基础上提出一种简单有效的姿态控制方法.首先建立四足机器人腿结构的运动学模型,通过数值运算与分析,得到机体翻转的根本原因,即支撑腿髋部前摆关节的反作用力矩产生了绕机体对角线的翻转运动.在此基础上,提出利用支撑腿的髋部侧摆关节力矩来平衡机体翻转的姿态控制方法,并分析讨论了姿态控制可能引起的机体侧向运动现象.最后进行动力学仿真试验,发现机器人在不施加姿态控制的情况下很容易失去平衡而翻到;而在应用了提出的姿态控制方法后,机器人能够实现稳定的小跑运动并且保持机体翻转角度在一个较小的范围内稳定波动.仿真试验对比证明了该姿态控制方法能有效控制机体翻转运动并保持机器人动态平衡.     

未知崎岖地形下四足机器人复合抗扰柔顺控制

为使四足机器人能够在未知崎岖地形中以对角(Trot)步态柔顺且稳定地行走,提出了一种复合抗扰柔顺控制策略。首先,四足机器人的机身和支撑相采用内外环分层控制策略,外环采用全局快速终端滑模控制器来控制机身的位姿,以使机身位姿快速精确地收敛到平衡状态,并通过设计非线性干扰观测器来消除系统不确定性和外界扰动,以进一步提高系统的鲁棒性;其次,内环采用基于力的PD控制器,以使支撑相的足端接触力能够跟踪滑模控制器所需的期望力,实现足端与地面的软接触,减少对机器人的冲击;同时,摆动相采用具有相同主动柔顺性的阻抗控制器;最后,采用MATLAB/Simulink进行了对比仿真实验,结果表明在所提控制策略下,四足机器人在未知崎岖地形中行走具有良好的鲁棒性和柔顺性。     

四足机器人步态生成算法研究与仿真

在四足机器人行走动态控制的研究中,为使四足机器人能在复杂地面状况下行走,提出了一种四足机器人在不平坦地面爬行时的平动步态生成算法.首先构建四足机器人步行机构模型,根据静态稳定性对角线原理的判定确定机器人腿的摆动顺序;以平动步态为例根据机器人前行方向、初始位姿、地面不平坦等因素计算一个步态周期后机器人的位姿从而实现平动直线行走的连续步态算法.考虑了机器人机构约束以及状态变化因素使机器人在每一个步态周期都能跨出尽可能大的步幅实现行走效率的最大化.通过仿真验证了算法的正确性.仿真结果对四足机器人步态稳定性的研究及实现具有实际的参考价值.     

二足机器人之动态平衡研究

主要探讨二足机器人（biped robots）行走或受到外力干扰时,通过动态平衡控制使机器人行走更趋稳定,并增强站立时稳定性．二足机器人动态平衡之实现,主要是将动态平衡控制程序撰写于Nios Ⅱ发展环境中,当二足机器人行走时,利用脚底压力传感器取得压力值,运算及判断二足机器人实际重心是否落在二足机器人支撑多边形范嗣内,并计算实际重心与期望重心之误差,以模糊控制器将二足机器人重心控制于支撑多边形范围内,使二足机器人行走时能够更加稳定,实验结果表明该方法是有效的．