蛇形机器人蜿蜒运动控制分析

针对蛇形机器人的蜿蜒运动控制,首先分析了关节角度约束对运动控制函数参数取值的限制,确定了满足机械结构的运动控制参数范围;之后在Adams仿真环境下,建立蛇形机器人的三维虚拟运动模型,进行蜿蜒运动仿真,通过分析幅值控制参数对蛇形机器人弯曲度、运动速度和运动轨迹偏移的影响,提出了调整幅值参数的方法;实验结果表明,调整方法的有效性,从而实现蛇形机器人蜿蜒运动控制的优化。     

基于最小无穷范数的蛇形机器人最优力矩控制

带有被动轮的蛇形机器人在跟踪头部轨迹时,力矩输入具有无穷多解,其中振幅最小的解对应着电动机额定扭矩最小的情况,即为本文所指的优化力矩.由于带有被动轮的蛇形机器人侧向不打滑时轮子的法向速度为0,每个模块可以引入一个速度约束,此时蛇形机器人是一个非完整约束系统,而振幅最小的力矩对应着具有最小无穷范数的力矩.通过建立非完整约束动力学方程,将求解振幅最小的力矩转化为在动力学方程约束下求解最小无穷范数的问题.利用最小无穷范数的数值算法求得在蛇形机器人跟踪头部速度时的关节力矩最小无穷范数解,从而利用最小无穷范数解对蛇形机器人进行力矩控制,实现力矩振幅最小的最优力矩控制.动力学数值仿真结果证明了算法的有效性.     

基于双层级CPG的3维蛇形机器人运动控制方法

为实现3维蛇形机器人多模式运动控制,提出了一种基于双层级中枢模式发生器(CPG)的运动控制方法.该双层级CPG网络包含节律层和模式层,节律层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人的俯仰关节组和偏转关节组的相位关系,模式层的CPG神经元用于控制3维蛇形机器人关节组内各个关节的相位差及关节轨迹.首先,利用Kuramoto振荡器对CPG神经元进行建模,并确定CPG网络的层级结构和耦合拓扑;然后,基于蛇形约束曲线计算3维蛇形机器人侧滚运动、侧移运动、滑行运动及转向运动4种典型运动步态的控制参数;最后,通过联合仿真和实验验证该双层级CPG网络的控制性能.由实验结果可知,3维蛇形机器人的侧滚运动、侧移运动、滑行运动以及转向运动的实际速度分别能够达到3.9 cm/s、9.0 cm/s、2.1 cm/s和10.8°/s.因此,该方法能够有效地、灵活地控制3维蛇形机器人的多模式运动.     

改进末端跟随运动的超冗余蛇形臂机器人运动学逆解

针对超冗余蛇形臂机器人运动学逆解中计算量大、超关节极限和位形偏移量大的问题,提出了一种改进末端跟随运动的逆解算法．在末端跟随法中引入蛇形臂弯曲角度的约束,调整关节位置的更新方式,使关节在蛇形臂轴线上运动．通过依次更新关节的空间位置,将超冗余多节蛇形臂的运动学逆解转化为2自由度单节蛇形臂的运动学逆解．仿真分析了蛇形臂机器人在基座移动和基座固定条件下的轨迹跟踪效果,对比了同一目标位置下不同方法的性能．结果表明,改进后的算法能保证蛇形臂的弯曲角度不超过给定范围,关节的运动量从末端到基座依次减小,机器人的运动更协调;与基于雅可比矩阵的数值法和现有启发式方法相比,该方法运算量降低,机器人整体位形偏移量减小,能用于蛇形臂机器人的实时控制．     

基于Webots的蛇形机器人翻滚运动仿真及实现

针对蛇形机器人的侧向翻滚运动,给出一种建立正交关节蛇形机器人三维空间运动模型的方法,提出了一种更为简单的实现蛇形机器人侧向翻滚运动的舵机输入函数.通过选择不同的控制参数,可以实现蛇形机器人"U"字形和"V"字形侧向翻滚运动.在Webots移动机器人仿真软件上进行正交关节蛇形机器人翻滚运动仿真,并在蛇形机器人本体上进行试验,验证了所提控制规律的有效性.     

基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究

对带有被动轮的蛇形机器人进行速度跟踪控制时,利用传统的动力学建模方法得到的动力学方程复杂且不利于控制器的设计. 本文基于微分几何的方法将带有被动轮的蛇形机器人动力学投影到速度分布空间中, 得到了动力学与控制统一模型, 更有利于速度跟踪控制器的设计. 考虑到蛇形机器人在进行速度跟踪时容易出现奇异位形, 提出增加头部扰动速度的方法. 基于头部扰动速度和统一模型, 提出避免奇异位形的速度跟踪控制方法, 最后通过逆向动力学得到控制力矩. 文中对速度跟踪控制进行了数值仿真和实验验证. 仿真和实验结果表明, 提出的速度跟踪控制方法能够跟踪想要方向的速度, 并且在跟踪过程中可以有效地避免奇异位形.     

基于角度对称性调节的蛇形机器人路径跟随方法

为了控制蛇形机器人在摩擦系数未知的地面上跟随期望路径,提出基于角度对称性调节的路径跟随方法.根据运动学分析可知,若关节角度对称变化,则机器人运动方向不发生改变;否则,其运动方向可以发生改变.基于该思想,在力矩控制中设置一个参数,可根据目标点与机器人的位置进行调节,并控制关节角度的对称性.将目标点设置在期望路径上,并且随着机器人的运动,目标点沿着期望路径不断地更新.当机器人没有沿着期望路径运动时,方向参数呈不对称变化.通过负反馈控制使其不对称程度减小直至消失,从而使机器人沿着期望路径运动.最后在不同未知摩擦系数的地面上进行了仿真,得到的轨迹和误差结果显示机器人能够根据期望路径调整运动方向,说明该方法不仅能跟随期望的直线和曲线路径,而且可以在发生侧滑时完成路径跟随任务.     

基于路径边沿引导策略的蛇形机器人路径跟踪方法

为了控制蛇形机器人在路径边沿的引导下沿着期望路径运动,在基于角度对称性调节的方向控制方法的基础上,提出路径边沿引导策略.随着蛇形机器人的运动,路径的2个边沿交替作为有效边沿.利用传感器检测有效边沿,根据有效边沿获得临时目标点.临时目标点随着机器人的运动沿有效边沿不断更新.不断更新的临时目标点确定了路径的延伸方向.将临时目标点引入方向控制参数,从而使机器人根据路径边沿调节运动方向.仿真显示蛇形机器人能够在摩擦系数未知的地面上根据路径边沿调整运动方向.仿真结果验证该方法不仅能实现蛇形机器人跟踪期望路径,而且能实现蛇形机器人跟踪期望路径的中心线.     

基于遗传算法的蛇形机器人CPG模型参数优化

针对蛇形机器人采用的循环抑制CPG模型,为解决CPG控制模型中参数整定效率低、不稳定的问题,阐述基于CPG模型的蛇形搜救机器人控制系统总体方案的设计,提出一种基于遗传算法的CPG控制模型参数优化方法,实现链式CPG网络的节律输出。仿真实现蛇形搜救机器人各关节控制信号的有效输出,仿真结果表明,该方法具有高效、准确、稳定等优点,可有效应用于蛇形搜救机器人的步态控制。     

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一, 联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面. 能量耗散描述了环境交互作用, 能量转换对应着运动的动力学过程, 能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性. 提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法-被动蜿蜒. 通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小. 仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性, 并对控制力矩进行了递归分析. 基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统. 进行了移动实验和拖动实验, 前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载. 仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.     

基于路径积分强化学习方法的蛇形机器人目标导向运动

路径积分方法源于随机最优控制,是一种数值迭代方法,可求解连续非线性系统的最优控制问题,不依赖于系统模型,快速收敛.文中将基于路径积分强化学习的策略改善方法用于蛇形机器人的目标导向运动.使用路径积分强化学习方法学习蛇形机器人步态方程的参数,不仅可以在仿真环境下使蛇形机器人规避障碍到达目标点,利用仿真环境的先验知识也能在实际环境下快速完成相同的任务.实验结果验证方法的正确性.     

基于Haar小波分解的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

利用Haar小波在满足机器人动力学约束的前提下 ,对期望轨迹进行曲线分解 ,得到所需的一系列参考点 ,并由这些参考点构造出虚拟小车的运动轨迹 .基于控制Lyapunov函数设计了速度跟踪控制律 ,驱动机器人跟随虚拟小车实现对期望轨迹的跟踪 .该方法的突出特点是可实现对任意复杂轨迹的跟踪控制 ,且不存在速度跳跃点 .仿真实验结果表明它的有效性 .     

蛇形机器人水下3D运动建模与仿真

由于蛇形机器人具有多关节、超冗余自由度的特点,以及水环境高度复杂非线性化,使得蛇形机器人的水下3维步态难以通过实验进行验证、分析及优化针对这些问题,根据蛇形机器人样机"探查者Ⅲ",搭建了水下运动的仿真分析系统.首先,分析了蛇形机器人水下运动时不同姿态下的水静力,计算了机器人受到的附加质量力和黏滞阻力的线性项和非线性项,并研究了流体力矩对水下运动的影响.然后,基于Morison方程建立了机器人与水交互的力学模型.最后,在仿真分析系统中对逐节下潜步态进行仿真,分析机器人的运动性能,并进行相应的实验.通过前进速度、下潜速度、运动趋势的对比表明:该力学模型能比较准确地模拟机器人与水环境的交互作用,仿真分析系统能用来验证和分析蛇形机器人的水下3维运动步态.     

基于主从任务转化的冗余度机器人避障算法

在冗余度机器人的避障规划问题中,当障碍影响机器人末端运动时,避障运动和机器人的末端轨迹跟踪运动会发生相互冲突.针对这个问题,提出了基于主从任务转化的避障算法.该方法将避障运动的操作空间定义为1维的运动空间,引入了2个转换变量,可以根据得到的实时最小距离的变化,实现机器人末端的轨迹跟踪运动和避障运动之间光滑连续的优先级转换.最后,通过对一个3自由度平面机器人的仿真实验,对算法的正确性进行了验证.结果表明,机器人与障碍物的最近距离大于0.02m,并且机器人末端可以准确地到达目标位置.所提出的方法不仅能实现冗余度机器人的避障,而且能防止任务之间的冲突.     

一种基于空间连杆机构的蛇形机器人

提出了一种基于空间连杆机构的蛇形机器人模型．该蛇形机器人各骨节间通过万向铰链连接，每节安装两个微型伺服电机，电机带动曲柄转动，曲柄经两端为球铰的连杆驱动另一骨节运动．通过两个电机的耦合驱动，该蛇形机器人能实现蜿蜒爬行、转向、抬头等多种运动方式．文中给出了该空间连杆机构的运动学解，基于Serpenoid曲线计算得到了实际控制所需的关节转角和步数，并编程实现了上述运动方式．     

蜿蜒步态下的蛇形机器人路径跟踪控制研究

在面向灾区救援等针对蛇形机器人蜿蜒运动的直线路径跟踪效果差的问题,本项目提出基于滑模控制理论的方向控制器,有效收敛了蛇形机器人在稳态时的运动误差。针对蛇形机器人头部晃动影响头部传感器获取有效数据的难题,创新地提出基于补偿函数的头部控制方法,使得蛇头的运动方向与蛇身整体的运动方向一致,保证了蛇头相机拍摄的可读性和传感器测量的准确性,便于机器人准确地感知环境,确保在转弯时机器人整体呈蛇形曲线。     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

形状记忆合金驱动的蛇形机器人运动仿真研究

基于Serpenoid 曲线建立了蛇形机器人行波运动和攀爬运动的运动学、动力学模型,根据模型提出一种具有万向节功能的pitch-roll 模块,利用形状记忆合金驱动器具有结构小和只受温度变化影响两大特点建立了蛇形机器人关节。应用MSC/ADAMS 虚拟样机软件对基于形状记忆合金驱动蛇形机器人进行行波运动和攀爬运动的动力学分析,并对仿真过程中遇到问题提供了解决办法。模型仿真效果非常理想,完全达到设计要求,为下一步研制物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考。     

蛇形机器人步态产生及步态分析

以简化的Serpenoid曲线为基础,并根据蛇形机器人的3维运动由其水平和怪直两个平面的运动合成的理论,提出了一种蛇形机器人的3维步态产生方法.通过实验验证了各种步态,并在实验中得到了蛇形机器人各种步态的运动特性与相应的运动控制方程参数之间的关系.在实验中,得到了一种新步态,并将其命名为螺旋步态.对于螺旋步态,利用运动...     

蛇形机器人蜿蜒游动性能动力学仿真分析

模仿蛇在水中游动,设计了蛇形机器人仿真模型.通过蛇形曲线控制该机器人在动力学仿真水环境中实现蜿蜒游动.实验分析了蛇形曲线公式中起始弯角、S波个数、弧长变化率对蜿蜒游动性能的影响.实验结果表明:在一定范围内,增大蛇形曲线公式中起始弯角、S波个数、弧长变化率等参数的值,蛇形机器人的蜿蜒游动速率也随着增加.