新型四足并联军用机器人步态控制算法及仿真

在多关节步行机器人控制策略中，全部采用中央模式(CPG)网络进行控制的方法具有参数繁多、网络结构复杂的特点；机器人的工作环境通常多变且复杂，对机器人的灵活性和抗干扰能力提出了更高的要求，故仅采用单一的控制模式很难满足上述需求。针对上述问题，在机器人控制上把基于CPG的控制方法和基于虚拟模型的控制方法进行综合，对单腿为3-UPS机构的四足并联军用机器人设计了一种新型步态控制算法，用CPG完成机器人的基础步态，完成输入输出之间的非线性振荡器网络模型的搭建，并将模型的输出与关节电机的驱动力矩构成映射关系；再用虚拟模型生成行走时保持机器人平稳姿态所需要的足端虚拟力，并将足端虚拟力映射为关节驱动力矩。通过V-REP与MATLAB软件对该步态控制算法进行联合仿真实验。仿真结果表明：所提出的步态控制算法有效；新算法的优势在于简化控制网络的同时还能保证机器人在行走过程中拥有较强的灵活性和抗干扰能力，这种新型控制模式为四足并联军用机器人的步态控制提供了新的思路与方法。     

新技术形势下四足、双足机器人技术的变革

从科研思维、行为模式方面，论述四足、双足机器人国内发展现状，对比国内与波士顿动力公司间存在的差距。从科研范式的角度分析新技术推动下中国在四足、双足机器人换道超车的核心技术及发展方向，总结国内在电驱动关节及足式机器人控制方面所面临的机遇，提出基于AI驱动的足式机器人系统设计方法。     

基于虚拟元件的负载型四足步行平台静步态行走控制

传统的基于逆运动学或逆动力学静步态行走控制方法易导致步行平台足端与地面产生较大冲击力、机体轨迹产生较大跟踪误差,使步行平台出现稳定性问题。为实现负载型四足步行平台静步态柔顺稳定行走,提出一种基于虚拟元件的静步态行走控制方法。将步行平台静步态行走控制分为机体运动控制及摆动腿运动控制两部分,分别在机体各自由度及摆动腿各自由度添加虚拟弹簧阻尼元件,将机体与摆动腿控制转换为虚拟力控制。运用序列二次规划方法将机体虚拟力分配到支撑腿足端。结合各腿的雅克比矩阵,得到支撑腿与摆动腿的驱动关节力矩,并设计了步行平台静步态行走状态机。运用MATLAB与ADAMS软件建立四足步行平台仿真模型,对平台静步态行走进行联合仿真。仿真结果表明,虚拟元件控制实现了步行平台复杂地形静步态平稳行走,平台能够适应复杂地形变化,足端与地面冲击力较小,证实了所提虚拟元件控制方法的有效性。     

基于创新教育的十六自由度视觉机器人

为满足机器人广泛应用的需求,设计一款十六自由度的双足视觉机器人。依据仿生学原理,通过对人类 行走动作和视觉判断的分析,确定机器人的外形及动作方式,利用软件调用微控制器控制数字舵机的运行角度,使 机器人完成行走动作,采用STM32 对舵机进行控制,将舵机控制参数导入机器人微控制器中完成机器人的实验调试。 测试结果表明：该机器人能准确完成编写的动作,在行走中完成视觉判断。     

由2自由度并联髋关节构成的脊柱式四足步行机器人步态规划和稳定性分析

针对四足机器人研究中的承载能力低、行走平稳性差问题,设计了一种由2自由度并联髋关节构成的脊柱式四足步行机器人。采用解析几何法和坐标变换法对机器人站立腿和摆动腿进行运动学建模,根据足端位置逆解求得了髋关节变量,进而提出一种无膝关节四足机器人的直行步态、定点转向步态和爬楼梯步态规划方法。基于运动学模型和步态规划方法,通过数值仿真分别得到步态周期内瞬时稳定裕度数据和重心高度变化数据,结果表明四足机器人有较好的稳定性。机器人步态试验验证了该步态规划方法的合理性和有效性。     

柔性爆炸网络组网技术研究

在定向战斗部定向起爆系统的柔性同步起爆网络设计中,为了准确传递爆轰信号,将柔性可控爆炸结应用于定向战斗部柔性定向起爆网络的组网技术,对柔性可控爆炸结在弹药定向起爆系统多点同步起爆网络中的组网技术进行了研究,给出了起爆网络输入输出逻辑关系式。     

基于柔性直角坐标机器人的火箭连接器自动对接过程分析及试验

为提高运载火箭发射准备流程安全性、可靠性以及保障性,实现地面连接器与运载火箭上接口的自动对接,首先分析了连接器自动对接技术的应用背景及技术需求特点,提出由检测系统、控制系统及柔性位姿调整系统组成连接器自动对接技术方案;然后结合工业机器人的机构形式及特点分析,设计一种基于柔性直角坐标机器人的连接器自动对接系统方案,并研制柔性直角坐标机器人式自动对接试验系统;最后开展在箭上接口不同运动规律下的连接器自动对接试验。试验结果表明：该柔性直角坐标机器人正常实现了连接器的位姿调整功能及与箭上接口的同步随动功能,并准确、可靠地完成了连接器与箭上接口的自动对接、分离流程。     

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。     

基于Kimura振荡器和虚拟模型的气动肌肉四足机器人步态控制

步态控制是四足机器人适应复杂地形的关键,为此对机器人步态进行规划和控制,提出一种步态控制器。针对气动肌肉驱动的四足机器人,根据机器人Denavit-Hartenberg参数建立单腿运动学模型;采用Kimura振荡器设计四足机器人步态的中枢模式发生器（CPG）网络,并改进振荡器输出与关节角度之间的映射关系;采用摆线函数规划机器人足端轨迹,基于生物神经反射机理和虚拟模型控制（VMC）,以肢体摆动相位和足端触地信息为状态切换条件,建立沟壑地形自适应步态控制器;搭建Adams与MATLAB联合仿真平台和实物样机测试平台,对步态控制器进行验证。结果表明：改进的CPG步态网络可减小步态参数间的耦合,所生成信号的幅值和相位稳定;基于CPG和VMC的步态控制器能实现机器人对角步态运动,并能跨越宽度为机器人足端宽度的2.50倍沟壑。     

非爆破柔性气缸弹射器研究

研究一种基于压缩气体静音发射的柔性气缸弹射器,实现了在约束且不爆破的情况下对弹射物变距离做功。通过弹射理论分析、仿真计算和实验验证相结合的方法,对柔性气缸弹射器动力学特性进行研究。结果表明:柔性气缸折叠压缩、充气展开弹射能实现对弹射物的发射,弹射过程无爆破现象;弹射器弹射能力受到柔性气缸初始长度、柔性气缸与弹射物的接触面积、柔性气缸压力等因素的影响。在对不同初始长度柔性气缸的弹射能力的研究中发现:柔性气缸初始长度越长、折叠量越大,柔性气缸展开弹射的作用距离就越大,弹射能力也就越强;通过4个1 000 mm×2 000 mm规格的柔性气缸组在2 MPa压力作用下弹射质量60 t弹射物可产生4.6 MJ能量,可实现对大质量物体的弹射。该研究成果对实现高压气体可控能量释放与大质量弹射技术研究具有参考意义。     

基于力位混合控制的踝关节外骨骼机器人四段式助力技术

外骨骼机器人的助力策略是影响外骨骼机器人助力效率的关键因素。相对于平地行走模式下的外骨骼机器人,坡地行走模式的助力机器人助力机理尚不明确。针对上述问题,以人体运动特征为切入点,研究坡地行走模式下的关节做功规律,阐述人体关节运动机理,并提出力位混合控制的四段式踝关节外骨骼助力策略。进一步研制柔性踝关节助力外骨骼机器人,并通过关节力矩与代谢试验验证该助力外骨骼机器人的助力效率。研究结果表明,坡地行走过程中,外骨骼机器人能够提供人体运动所需7%的关节运动力矩,并能够降低约3.5%的行走代谢能耗。     

基于混合神经振荡器的爬行四足机器人运动协调控制

中枢神经模式振荡器常用于多足机器人运动协调控制。为实现含有主动柔性躯干的爬行四足机器人运动协调控制,构建一种混合神经振荡器。该振荡器利用Hopf振荡器和Kuramoto振荡器对机器人四肢和躯干进行协调控制,并通过建立二者之间的耦合关系实现四肢与躯干的协调运动。利用仿真平台搭建爬行四足机器人虚拟样机,对静走步态、对角步态以及两种步态间柔顺切换分别进行直线运动仿真,同时对该协调控制进行可行性验证,获得虚拟样机运动图像以及其足端轨迹曲线。仿真结果表明：该混合神经振荡器可实现机器人的静走与对角步态直线运动;通过建立静走和对角步态下四肢与躯干之间的协调关系,并改变机器人各腿部振荡器之间的相位差,能进行两种步态之间的柔顺切换。     

管道机器人的研究现状及其展望

为解决管道检测与维护工作量大和效率低等难题,对管道机器人的研究现状进行探讨。详述国内外管道 机器人结构特性,根据机器人的技术特点,对管道机器人在通过性和能量供应2 个方面存在的问题进行分析,总结 管道机器人研发的关键技术,从被动自适应性、单体模块化和能量优化3 方面展望智能管道机器人的发展趋势。该 研究有一定的实用参考价值。     

水下机器人定位方法综述

机器人定位是指通过机器人传感系统实时获得其所在的位置和航向信息,是移动机器人完成复杂实际任务的基础。针对水中机器人,介绍了基于水声、基于GPS和基于概率等几种典型的水下定位方法。分别描述了这些方法的实现原理,并分析了它们的特点和存在的问题。最后,展望了该方向今后的发展趋势和应用前景。     

爬杆机器人研究现状与展望

为推动爬杆机器人的发展,对爬杆机器人的现状进行分析,对其发展方向进行展望.将现有爬杆机器人分为滚动式爬杆机器人、夹持式爬杆机器人、仿生式爬杆机器人和吸附式爬杆机器人4大类,着重介绍其工作特点及国内外爬杆机器人领域中具有代表性的一些研究成果.通过对4类爬杆机器人性能对比分析,提出爬杆机器人的技术难点,并结合当前新技术的发展,从新型化、多功能化、模块化、独立化和智能化5个方面展望爬杆机器人的未来研究方向.该研究有较高的实用参考价值.     

水果智能分拣产线的现状与发展趋势

针对果实分拣中存在识别精度低、单个果实信息处理时间长的问题,对国内外的水果智能分拣生产线进行研讨和分析.根据水果分拣产线的工作原理,结合工业机器人和视觉分拣技术,提出利用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)和使用光谱技术分析水果的化学性质等方法,对水果瑕疵检测和成熟度分拣进行分析,并分别对CNN和光谱分析技术在水果分拣中的应用发展趋势进行阐述.分析结果表明,该研究对提高水果瑕疵检测和分拣精度研究具有一定的实用价值.     

基于自然语言处理方法的S 系列标准间数据映射关系

为解决S 系列标准映射关系寻找难度大等问题,使用基于自然语言处理方法进行研究。分析S 系列各标 准数据元素的特点,并与人工寻找方法所得的映射关系进行对比验证。实验结果表明：该方法不仅能大幅提高寻找 映射关系的效率,还能在较小的范围内寻找出所有的准确匹配对,便于人工筛选。     

基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究

针对支撑相期间下肢助力外骨骼机器人阻抗控制拟人性、柔顺性不足的问题,开展基于人体运动能力的下肢外骨骼支撑相阻抗自调整控制方法研究。通过下肢刚度特性试验测定支撑相不同阶段人体的刚度特性,分析了外骨骼阻抗与驱动器阻抗之间的非线性变化规律;设计了一种基于人体运动能力的外骨骼支撑相阻抗自调整控制系统,通过重力补偿和系统摩擦力辨识确保阻抗自调整的准确实施,并进行了仿真与试验验证。结果表明：阻抗自调整控制方法能够确保外骨骼较好地跟随预设位移曲线,满足支撑相外骨骼不同阶段的柔顺需求;所得成果可为改善外骨骼行走人机耦合性、研究完整行走步态外骨骼柔顺控制提供支撑。     

模糊控制算法在移动机器人中的应用

针对移动机器人运动轨迹的控制问题,提出采用模糊控制算法用于机器人运动轨迹控制的方法。采用光电传感器感知机器人的偏离角,选用Mamdani模型设计了模糊控制器,求得机器人的行走方位及纠偏大小,从而实现准确导航。并应用Matlab对模糊控制器进行仿真。仿真及实际应用结果表明:该控制器能提高机器人寻迹控制的精度,使移动机器人稳定快速地寻白线移动。