冗余驱动仿下颌运动机器人的机构设计及轨迹规划

为实现人体下颌的运动,针对下颌系统的冗余特性和颞下颌关节运动的独特性,提出一种新型的冗余驱动的仿下颌运动机器人.首先,根据人体下颌运动机理以及仿生设计参数对仿下颌运动机器人进行样机设计.然后,基于虚拟仿真软件,对冗余驱动的仿下颌运动机器人进行轨迹规划.最后,在样机上进行下颌功能运动实验,分别模拟下颌的开闭、前后和侧方运动.结果证明该仿下颌运动机器人能够实现人体下颌的运动,特别是颞下颌关节的运动.     

仿青蛙游动机器人机构设计

为研制仿青蛙游动机器人,设计了游动机器人机构.首先通过分析生物青蛙结构,设计仿青蛙机器人的原理样机.选择气动肌肉作为驱动器,分别驱动髋、膝、踝关节的转动,并采用钢丝传动结构,将膝关节气动肌肉安装在躯干上,从而有效减小了腿部的质量.建立了机器人系统的运动学模型并进行机器人运动学分析.分析了青蛙游动过程中的水下受力,并将水的作用力引入ADAMS仿真环境中,模拟了青蛙游动中的水环境,从而进行动力学仿真分析.最后对所研制出的仿青蛙游动机器人进行水下游动实验,其推进阶段平均速度达到339 mm/s.通过对比分析发现在动力学仿真和样机实验两种不同方法下机器人后肢运动形式基本一致,从而验证了仿青蛙游动机器人原理样机设计的可行性.     

基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真

为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真.利用ADAMS的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况.仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm/s的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离.这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的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.     

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.     

基于ADAMS的双足机器人拟人行走动态仿真

在双足机器人HEUBR_1的设计中,下肢采用了一种新的串并混联的仿人结构,并在足部增加了足趾关节.为验证该仿人结构设计的合理性及拟人步态规划的可行性,在ADAMS虚拟环境中建立了双足机器人HEUSR_1的仿真模型.通过拟人步态规划生成了运动仿真数据,在ADAMS虚拟环境中实现了具有足趾运动的拟人稳定行走,经仿真分析,获得了双足机器人HEUBR_1拟人行走步态下的运动学和动力学特性,仿真结果表明:双足机器人HEUBR_1的串并混联的仿人结构设计能够满足行走要求,且拟人步态规划方法可行,有足趾运动的拟人行走具有运动平稳、能耗低、足底冲击力小的特点.稳定行走的仿真步态数据可为下一步双足机器人HEUBR_1样机行走实验提供参考数据.     

基于CAN总线的仿人机器人关节伺服控制系统研究

本文针对仿人机器人的结构和控制性能要求，结合清华大学THBIP-I型仿人机器 人样机研制，研究提出了基于CAN总线的仿人机器人关节伺服分级控制体系结构．文中详细 描述了系统的总体结构方案、位置控制卡的结构原理、通讯协议和控制算法，以及系统在TH BIP-I仿人机器人样机上的技术实现，并在控制实验有效性验证的基础上，提出了进一步完 善发展的思路．     

国外仿人机器人发展概况

介绍了国外仿人机器人发展的特点,详细分析了日本、美国和韩国等国几种仿人机器人的主要技术及其技术指标．根据国外的样机设计,作者讨论了仿人机器人各部分自由度的选用,分析了仿人机器人传动和控制设计中的一些问题．就国外仿人机器人发展对中国的启示提出了看法．     

一种小型仿人机器人的设计、制作与舞蹈功能的实现

小型仿人双足机器人是一种机电一体化装置,完成其结构设计、样机制作以及动作编排需要进行系统探索。依托机器人基础知识和专业技术,对该机器人进行了详尽分析,根据仿生学目标进行了机器人自由度分配,且依据研发任务选择了机器人驱动元件,进而使用solidworks软件进行了机器人结构造型设计,并完成了实验样机的结构组装和系统调试。设计了一个机器人“舞蹈”程序,该程序采用分层软件架构方法,设计了驱动层、应用层和执行层,使机器人软件系统的各个部分分工明确,且使机器人在跳舞过程中能够保持各部位的协同运动,同时保证机器人重心稳定,不会摔倒,实现了机器人的“舞蹈”动作。该项工作表明,小型仿人双足机器人的设计方案具有一定的合理性与可行性,对促进青少年掌握机器人技术极有帮助。     

星面探测仿生弹跳机器人设计、仿真及实验

基于袋鼠的跳跃运动机理和齿轮—五杆组合机构,设计了一种用于星面探测的小型间歇式弹跳机器 人．提出了仿袋鼠结构、运动形态及产生非线性弹跳动力的闭链机构的弹跳模型．采用D-H 法建立了机器人运动方 程,并对其跳跃运动步态、仿生运动特性和弹跳效率进行了分析,给出了该机器人设计的整体结构．运用ADAMS 软件对机器人进行动力学建模与全过程运动仿真,验证了该闭链仿生弹跳机构及其运动的有效性,较大幅度提高了 弹跳机构对能量的利用率,其效率可达70%,避免了弹跳机器人提前起跳．最后设计制作了弹跳机器人原理样机, 并进行跳跃试验．试验结果表明：样机试验与仿真结果基本是一致的;1.4 kg 的弹跳机器人跳远度为813 mm,跳高 度为471 mm,从而解决了利用微小电机驱动机器人实现弹跳运动的问题．     

双足机器人动态步态规划

针对目前仿人机器人动态步行在样机上实现较少的情况,将多项式插值方法运用于机器人踝关节轨迹规划,结合已知髋关节运动轨迹,利用几何约束的方法求取膝关节运动轨迹,得到完整步态周期内各关节运动规律,最终实现NAO机器人的动态步行。实验结果证实了基于多项式插值的几何约束规划方法是可行且有效的。     

Robot teaching system based on hand-robot contact state detection and motion intention recognition

This paper presents a robot teaching system based on hand-robot contact state detection and human motion intent recognition. The system can detect the contact state of the hand-robot joint and extracts motion intention information from the human surface electromyography (sEMG) signals to control the robot's motion. First, a hand-robot contact state detection method is proposed based on the fusion of the virtual robot environment with the physical environment. With the use of a target detection algorithm, the position of the human hand in the color image of the physical environment can be identified and its pixel coordinates can be calculated. Meanwhile, the synthetic images of the virtual robot environment are combined with those of the physical robot scene to determine whether the human hand is in contact with the robot. Besides, a human motion intention recognition model based on deep learning is designed to recognize human motion intention with the input of sEMG signals. Moreover, a robot motion mode selection module is built to control the robot for single-axis motion, linear motion, or repositioning motion by combining the hand-robot contact state and human motion intention. The experimental results indicate that the proposed system can perform online robot teaching for the three motion modes.     

基于弹簧负载倒立摆模型的仿袋鼠机器人稳定跳跃控制

仿生跳跃机器人具备很强的越障和环境适应能力,但是由于机器人运动过程中较短的可控时间以及腾空阶段运动的不确定性,运动的稳定性对于仿生跳跃机器人至关重要.本文对仿袋鼠机器人跳跃运动过程中的稳定跳跃控制问题进行了研究.首先采用双质量弹簧负载倒立摆模型(spring-loaded inverted pendulum,SLIP)模型对袋鼠机器人的结构进行简化,建立了机器人系统的动力学模型,并对机器人的运动过程以及着地相与腾空相的切换条件进行了分析.然后采用解耦控制的思想,将SLIP模型的运动控制分解为水平速度控制和跳跃高度控制两个方面,分别通过控制着地角度实现对水平运动速度的控制,通过能量补偿实现对跳跃高度的控制.最后在ADAMS仿真环境中建立机器人模型并进行了机器人运动仿真实验.实验结果表明,本文提出的方法可以实现仿袋鼠机器人稳定的周期性跳跃运动.     

仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法

提出了仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法. 首先, 通过运动捕捉系统获取人体运动数据, 并采用运动重定向技术, 输出人--机简化模型的数据; 然后, 对运动数据进行分析和运动学解算, 给出基于人体运动数据的仿人机器人逆运动学求解方法, 得到仿人机器人模型的关节角数据; 再经过运动学约束和稳定性调节后, 生成能够应用于仿人机器人的运动轨迹. 最终, 通过在仿人机器人BHR-2上进行刀术实验验证了该方法的有效性.     

基于LabVIEW的机器人的运动控制系统研究

为了减少机器人运动轨迹误差,实现对机器人的精准控制,提高机器人的运动效率,设计了基于LabVIEW的机器人的运动控制系统;采用了NI公司的控制板卡,选用了Odriver驱动器作为主控制器,选用大力矩伺服电机作为驱动电机,实现运动控制系统的硬件架构的设计;通过脉冲信号驱动电机运动,获取机器人的运动轨迹数据,通过进行对控制系统进行模块化编程,获取了机器人实际运动轨迹和理论轨迹,最终实现机器人实际轨迹与理论轨迹的拟合,减少了运动轨迹的偏离程度,完成对运动控制系统的软件设计。实验表明,机器人能够实现精准控制,提高了机器人的运动效率。     

Bilateral remote teaching and autonomous task execution with task progress feedback

This paper describes an approach to estimating the progress in a task executed by a humanoid robot and to synthesizing motion based on the current progress so that the robot can achieve the task. The robot observes a human performing whole body motion for a specific task, and encodes these motions into a hidden Markov model (HMM). The current observation is compared with the motion generated by the HMM, and the task progress can be estimated during the robot performing the motion. The robot subsequently uses the estimate of the task progress to generate a motion appropriate to the current situation with the feedback rule. We constructed a bilateral remote control system with humanoid robot HRP-4 and haptic device Novint Falcon, and we made the humanoid robot push a button. Ten trial motions of pushing a button were recorded for the training data. We tested our proposed approach on the autonomous execution of the pushing motion by the humanoid robot, and confirmed the effectiveness of our task progress feedback method.     

A playmate robot system for playing the rock-paper-scissors game with humans

We have developed a playmate robot system for playing the rock-paper-scissors game with humans. The playmate robot recognizes the hand motions of a human using image processing without attaching any additional units to the human. The playmate robot system consists of three parts: a game management part, a hand motion recognition part, and a robot hand control part. The system functions as follows. (1) Before the game is played, the game management part decides on the motion of the robot hand from amongst rock, paper, and scissors. After the game is played, the robot develops a reaction using speech and facial expressions depending on the result of the game. (2) The hand motion recognition part recognizes the hand motion of the human. It does not use any additional units on the human’s body, only a camera on the robot. (3) The robot hand control part shows the motion of the robot hand. A robot hand has four fingers that are controlled independently. We have played the rock-paper-scissors game with this playmate robot.     

毫米级潜艇形机器人在低雷诺数液体中的3D运动及微操作方法研究

为模拟机器人在人体环境中的3D运动及微操作,提出了毫米级潜艇形机器人在低雷诺数液体中保持水平姿态实现3D运动及执行微操作的方法．首先,设计并加工了潜艇形机器人以及4线圈磁驱动系统,通过COMSOL软件对磁场系统进行了有限元仿真．然后,对机器人在低雷诺数液体环境中的受力情况进行了分析,建立了机器人运动模型并研究了其多种运动模式．机器人在低雷诺数液体中可以保持水平姿态沿设定路线运动,包括垂直上升、对角上升、直角运动、螺旋上升等3D运动,最大运动速度为1.2 mm/s．通过设计的无线能量传输系统将电能引入到小尺度空间,机器人可通过无线电能驱动其前端的夹持器执行夹取、搬运、释放等微操作．     

基于偏微分方程约束的机器人群集运动控制系统设计

为充分发挥机器人群集的协作优势,克服单机器人能力不足问题,利用偏微分方程约束理论,设计机器人群集运动控制系统。扩大机器人群集间通信网络范围,改装机器人传感器、运动控制器和驱动电机设备。在硬件设备的支持下,考虑机械结构、运动与动力工作原理,建立机器人群集数学模型。分配机器人群集运动任务,利用偏微分方程规划机器人群集编队运动路径,设置规划路径作为机器人群集运动的约束条件。从位置和姿态角两个方面计算运动控制量,通过控制指令的生成与转换,实现系统的机器人群集运动控制功能。通过系统测试实验得出结论：与传统运动控制系统相比,在优化设计系统的控制下,机器人群集的运动跟踪控制误差为13cm,机器人群集运动过程中产生的碰撞次数得到明显减少,即优化设计系统具有良好的控制效果。     

Experience-based imitation using RNNPB

Robot imitation is a useful and promising alternative to robot programming. Robot imitation involves two crucial issues. The first is how a robot can imitate a human whose physical structure and properties differ greatly from its own. The second is how the robot can generate various motions from finite programmable patterns (generalization). This paper describes a novel approach to robot imitation based on its own physical experiences. We considered the target task of moving an object on a table. For imitation, we focused on an active sensing process in which the robot acquires the relation between the object's motion and its own arm motion. For generalization, we applied the RNNPB (recurrent neural network with parametric bias) model to enable recognition/generation of imitation motions. The robot associates the arm motion which reproduces the observed object's motion presented by a human operator. Experimental results proved the generalization capability of our method, which enables the robot to imitate not only motion it has experienced, but also unknown motion through nonlinear combination of the experienced motions.     

Virtual Chassis for Snake Robots: Definition and Applications

Abstract

Intuitively representing the motion of a snake robot is difficult. This is in part because the internal shape changes that the robot uses to locomote involve the entire body and no single point on the robot intuitively represents the robot’s pose at all times. To address this issue, we present a method of defining body coordinate frames that departs from the typical convention of rigidly fixing a frame to a link on the robot, and instead define a body frame that is based on the averaged position of all of the robot’s links. This averaged frame serves as a virtual chassis that effectively isolates the internal motion of the robot’s shape changes from the external motion, due to the robot’s interaction with its surroundings. This separation of motion allows much simpler models—such as those derived for wheeled vehicles—to accurately approximate the motion of the robot as it moves through the world. We demonstrate the practical advantages of using the virtual chassis body frame by estimating the pitch and roll of a snake robot undergoing dynamic motion by fusing readings from its internal encoders, gyros, and accelerometers with an extended Kalman filter.