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。     

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。     

仿尺蠖机器人曲面爬行步态分析与中枢模式发生器规划

风电叶片爬壁机器人的曲面爬行步态是研究难点。为此建立了含3个T型和2个I型关节的5自由度仿尺蠖机器人机构模型;通过几何关系分析机构对球曲面的适应性,基于吸附稳定状态建立关节角度幅值与曲率半径之间的函数关系,采用余弦函数设计翻转步态轨迹;基于反馈学习方法、自适应频率Hopf振荡器和Kuramoto耦合,设计关节中枢模式发生器(CPG)单元及其网络;通过学习平面翻转步态得到CPG网络参数初值,再通过在线调节关节角度幅值规划球曲面翻转步态。通过Matlab和Adams联合仿真分析了CPG网络的稳定性;进行了实物样机测试,测试了在叶片曲面上的翻转步态。研究结果表明,利用吸附稳定所需角度幅值可将平面步态调节为曲面步态,CPG在线调节步态规划方法有效。     

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。     

基于扩张状态观测器和模型预测方法的四足机器人抗干扰复合控制

为提高存在模型不确定及外界扰动的情况下对四足机器人的控制效果，提出结合扩张状态观测器、二次型优化(Quadratic Programming, QP)及模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)的复合控制算法。基于单刚体四足机器人模型，设计基于MPC的控制算法，实现对四足机器人的控制。考虑到模型及参数的不确定性，以及环境中存在的外界扰动，进一步利用变带宽非线性扩张状态观测器对机器人受到的总和扰动进行估计，并利用估计结果，设计基于QP的足端力重分配算法，实现对总和扰动的补偿。通过仿真实验验证了本文所提控制算法的有效性。仿真结果表明，在使用抗干扰复合控制方法之后，机器人在质量发生重大变化和受到外力作用下，依然可以保持良好的控制效果，与传统控制方法相比，机器人的控制精度和抗干扰能力得到了明显提升。     

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。     

仿生四足机器人结构设计与运动学分析

为满足四足步行机器人野外探索的任务需求,设计一种具有5个自由度的机械腿.应用模块化的设计理念将其拆分成基节模块、股节模块和胫节模块进行设计.通过机械腿正运动学分析,在Matlab仿真环境中计算出机械腿足端工作空间,并结合四足机器人的躯干结构,设计一种连续性的爬行步态,完成其足端轨迹规划,采用梯度投影法对这种冗余机械腿进行逆运动学求解,并在Adams中进行运动学仿真.仿真结果表明:五自由度冗余机械腿各关节能在尽量避免关节极限角的情况下实现连续爬行步态,且四足机器人的机体质心位移曲线在时间上连续光滑.     

六足机器人爬楼步态与仿真

为提高六足机器人对楼梯障碍物的适应能力,设计一种半圆型腿式的六足机器人。根据机器人的结构特 点,规划了六足机器人爬楼梯中的四足步态。基于步态规划,分析和建立了四足步态的运动学模型。通过对各条腿 的支撑相角度和摆动相角度的调整,用 ADAMS 软件对机器人进行了动态仿真。仿真结果表明：六足机器人结构设 计合理,在四足步态下能实现连续爬楼梯,且机器人的机体质心位移曲线在时间上连续光滑,验证了运动学模型的 有效性。     

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CPG神经网络的扑翼型UUV运动控制方法

中枢模式发生器（CPG）是一种普遍存在于脊椎动物中,用来自激产生节律运动的低级神经中枢。传统的基于模型的机器人控制方法存在建模复杂、解不唯一、单周期规划等问题,特别是在需要多自由度协调控制的任务中,缺乏足够的实时性。由于CPG在协调多自由度运动方面的优越性,本文研究了扑翼对UUV运动的影响,并基于CPG模型给出一种运动控制方法。利用反馈信息产生节律信号控制UUV左右扑翼的运动模式;调整CPG模型参数、反馈输入与CPG输出之间的关系,设计了UUV直游和转弯的反馈控制律。仿真结果验证了该控制方法的有效性。     

基于弹簧的绳驱动4-SPS/U刚柔并联式躯干关节机构设计与运动学建模

结合绳驱动和刚性并联机构二者的优点,采用过约束并联机构的构造方法,提出了一种2自由度绳驱动4-SPS/U刚柔并联式躯干关节机构。该躯干关节机构可以使6足移动机器人灵活地实现行走、水中推进、攀爬以及滚动等多种运动模式。利用螺旋理论计算了绳驱动4-SPS/U刚柔并联式躯干关节机构的自由度;结合封闭矢量方法和特征结构配置解耦法构建了该机构的运动学逆解模型,推导出该机构的速度和加速度模型,并通过雅克比矩阵分析了机构奇异性。通过理论数值方法计算出该躯干关节机构的位移、速度和加速度理论仿真数据,将理论仿真数据与Adams软件仿真数据进行对比,从而验证了理论模型的正确性。     

四足机器人特定复杂运动技能控制

为了提高四足机器人的运动多样性和地形适应性，提出一种复杂运动行为控制方法，通过构建四足机器人动力学模型，在此基础上进行离线滚动优化预测，生成四足机器人复杂行为的期望轨迹。在运动学、关节扭矩、接触力、运动状态和地形高度等非线性约束下更全面地优化了轨迹，设计在线轨迹跟踪控制器与落足控制器，实现四足机器人复杂行为的在线控制。在多复杂运动的动态仿真环境下评估了所提方法，机器人可以实现前跳、后空翻、前空翻和旋转跳跃，并可以在给定地形信息下跳跃障碍物。将在线轨迹跟踪控制器迁移到四足机器人物理样机中，完成了四足机器人向前跳跃的实验。实验结果表明，所提出的方法能够使四足机器人有效地完成多种特定复杂运动技能的稳定控制。     

多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析

外骨骼助力机器人突破了传统运载工具易受地形条件影响的限制,在军用领域和民用领域都展现了巨大的应用前景,是当前各国研究的热点。从负重外骨骼助力机器人和康复外骨骼助力机器人两个方面,综述了国内外多关节外骨骼助力机器人的发展现状。重点分析了人机匹配性设计、驱动方式、步态检测、人机协同行走控制策略以及助力效果评估等关键技术,并对多关节外骨骼助力机器人今后的研究方向及研究重点进行了展望。     

六足机器人轮腿结构设计与仿真分析

针对移动机器人在复杂地形环境适应能力弱的问题,设计一种新型六足轮腿复合式机器人.对机器人的基本结构及轮腿结构进行设计,阐明轮-腿模式转换机理,简述腿式三足步态及轮式步态规划,利用ADAMS软件对机器人进行动态仿真,并对轮腿结构进行有限元分析.仿真结果表明:六足机器人轮腿结构满足设计要求,能通过转换轮腿结构使机器人以腿式或轮式模式移动,兼具腿式、轮式2种机器人的优点.     

轮腿混合机器人机械腿动力学建模与驱动预估

提出了一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合四足军用机器人,它采用一种基于3-UPS机构的6自由度并联机械腿,对并联机械腿进行了动力学建模与驱动参数峰值预估。通过矢量回路法推导出机械腿的机构传递映射模型,并建立了机构的雅可比矩阵;采用非保守系统的拉格朗日方程建立了机械腿的动力学模型,得到了驱动参数与机械腿的运动函数之间的显式方程。通过机械腿的动力学模型,对6个伺服电机的驱动转速、力矩进行了峰值预估分析,计算出各伺服电机中的最大理论转速为19.7 r/s,最大理论力矩为71 mN·m. 通过一个具体的机械腿设计方案和结构参数算例,分析了机器人按照“1-2-3-4”循环步态迈步行走过程中,其6个伺服电机的瞬时转速、瞬时力矩随时间的变化规律曲线,并计算出此算例的伺服电机最大转速为15.3 r/s,最大力矩为48.1 mN·m,均小于预估模型中的预估理论极限峰值,通过计算得出算例的伺服电机选型预估功率为77 W,算例结果证明了所建立的驱动参数峰值预估模型的合理性。     

用于四足机器人的并联弹性腿足关节设计与优化

为了提升四足机器人腿足的运动性能，设计一种具有并联弹性驱动器(Parallel Elastic Actuator, PEA)的腿足关节，通过模仿四足动物的肌腱作用原理，将拉簧并联在小腿连杆和大腿连杆之间，在膝关节处实现了并联弹性驱动，具有尺寸小、质量和惯量低的特点。建立了PEA膝关节的动力学模型，并借助该模型，在预设跟踪任务轨迹下，综合考虑峰值力矩、峰值功率和能量利用率，对拉簧的刚度系数进行多目标优化，得到全局最优的拉簧刚度为5 510 N/m。为了对比本PEA关节与电机直驱关节的性能，从仿真和实验两个方面进行验证。利用Gazebo机器人仿真环境，使用带有刚度的滑动副来实现PEA拉簧的效果，通过物理引擎模拟获取关节电机的输出力矩、输出功率、机械能耗；搭建PEA膝关节实验平台开展样机实验，获取膝关节电机的电源输入参数，如输入电流、输入功率、电源能耗。实验结果表明：PEA对比电机直驱关节，在0.5～2.0 s的轨迹周期下，电机输出方面可以减少峰值力矩40%～79%、峰值功率52%～89%和机械能损耗40%～89%,电机输入方面可以减少峰值电流46%～77%、峰值电功率43%～76%和电能损...     

具有可控柔性的双足行走机器人研究进展综述

为了增强机器人的行走效率,使机器人的步态更自然,并有助于机器人实现复杂的运动,在双足行走机器人中加入可控的柔性。在概述柔性可控双足行走机器人发展背景的基础上,介绍国内外基于主动控制和基于被动行走的2类柔性可控双足行走机器人的研究现状,针对目前柔性可控双足行走机器人面临的4大主要问题,提出其未来的发展趋势,主要包括:将柔性驱动器应用到柔性可控的双足行走机器人中;研究控制柔性的方法;将双足机器人与生物学研究相结合;在假肢、外骨骼等辅助行走设备中应用可控柔性。该研究可为实现效率高、步态自然、实用性强的双足行走机器人提供相关理论、方法及技术支持。     

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。     

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。     

并联机器人动力学与控制仿真研究

并联机器人控制问题一直以来都是一个开放领域,在这方面的研究还比较少.文中以6-UPS型Stewart平台为研究对象,利用牛顿-欧拉方法建立了并联机器人的动力学模型,并提出了基于控制法则的动力学分解方法,推导出并联机器人的控制率方程,设计了基于动力学模型的控制器.采用PID校正方法对并联机器人的轨迹进行跟踪,给出了运动平台做圆周运动时轨迹跟踪曲线,仿真实验结果表明,轨迹跟踪效果比较理想,控制方案是正确的.为进一步的并联机器人控制及性能改进奠定了良好的基础.