基于能量规划的崎岖地面四足机器人平面跳跃控制

针对四足机器人传统奔跑控制方法中存在的俯仰角波动以及崎岖地形适应问题,提出了一种基于Trot具有前后脚同时支撑步态的崎岖地形跳跃控制方法。建立了步态支撑相平面运动模型,并通过虚拟模型控制,实现了躯干平面运动控制解耦。对虚拟模型中躯干的运动过程进行了能量规划,计算出纵向虚拟位置刚度,实现了跳跃周期控制;通过水平方向虚拟力的比例控制实现了机器人水平运动速度控制;采用大位置误差增益的PD控制方法实现了躯干姿态控制,保证了跳跃过程中躯干俯仰角的稳定。在虚拟物理仿真环境中建立了四足机器人的平面虚拟样机,对控制方法进行了仿真实验以及在假设条件不满足情况下的鲁棒性测试,仿真实验结果表明了该方法对跳跃控制的有效性。     

多足机器人规则步态实现方法研究

步态规划在移动机器人运动学研究中具有基础和重要的作用,本文首先对四足机器人的着地点进行设计,并分别对各腿的摆动顺序进行几何规划,利用虚拟样机,对四足机器人的单足轨迹进行设计,使得机体能够维持重心稳定并向前运动;其次,本文构建了四足机器人支撑机构的运动学逆解模型,排除奇异解,基于支撑机构的数学建模与求解对四足机器人的前行运动进行了规划;最后,实验结果表明,规则步态规划方法可实现四足机器人稳定可靠地运动.     

基于虚拟模型和加速度规划的腿部缓冲策略

提出一种基于虚拟模型控制和加速度规划的腿部缓冲方法。通过建立机器人腿部的虚拟模型,设定落地过程中躯干加速度从而可减小地面对机器人的冲击力,保护机器人的机械结构。该方法将机器人的落地过程分为下落、缓冲、恢复3个阶段。在下落阶段,通过在足端与期望位置之间添加虚拟“弹簧—阻尼”系统来控制足端位置。在缓冲阶段和恢复阶段,通过规划躯干质心加速度,从而减小落地过程中躯干受到的冲击。该方法可避免在激烈的足地交互过程中调节系统的刚度和阻尼,控制过程更简单精确。基于Webots的仿真试验表明,该方法在机器人落地过程中的保护是有效的。     

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关（GIS）内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人. 分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题. 对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法. 使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验. 结果表明：机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证. 在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.     

有并联脊柱的四足机器人步态规划

为了增加足式机器人的腿部运动范围和吸收地面冲击力,在刚性躯体四足机器人的基础上,设计3-RPS并联机构作为机器人的脊柱.建立有脊柱四足机器人的运动学模型,得到脊柱关节的周期性与质心位置的关系.在对角步态的基础上,利用脊柱偏航方向的自由度,规划了脊柱扭转对角步态.采用Hopf振荡器,建立耦合中枢模式发生器（CPG）网络输出步态曲线.通过与刚性躯干四足机器人的对比仿真和实验可知,主动脊柱的加入使机器人运行过程中的俯仰波动降低45.79%,矫正了偏航位置. 脊柱关节的周期性转动不会引起质心位置的突变.脊柱波动与肢体摆动间的协调,使得有脊柱四足机器人具有更优的运动性能.     

基于ADAMS的四足机器人运动仿真研究

作为工业机器人的一个主要研究分支,多足机器人具有很强的环境适应性和运动灵活性,正在日益受到重视。应用三维建模软件UG建立了四足机器人的模型,导入到虚拟样机分析软件ADAMS中生成虚拟样机模型,并对四足机器人进行了步态规划,利用MATLAB计算得到机器人关节运动轨迹,导入到ADAMS中,模拟了机器人的实际运动状态,得到其爬行轨迹。利用虚拟样机进行仿真为多足机器人步态规划的研究提供了一种良好的试验方法。     

四足步行机器人逆运动学分析

对四足机器人进行了步态规划,并推导出其逆运动学方程,基于MATLAB建立其运动学模型,以末端轨迹作为输入曲线,得到各关节运动变化曲线.然后,将关节运动变化曲线作为机器人虚拟样机的驱动信号,可使机器人按照规划步态进行运动.研究结果验证了理论分析的正确性,为多足步行机器人运动控制分析提供了理论基础.     

基于神经网络的四足机器人 SLIP 模型运动控制

根据四足哺乳动物形态设计的四足机器人,能够适应错综复杂的地形,且具有较强的运动属性。 而对于四足机器人而言,运动的控制十分重要,所以对四足机器人运动过程中的跳跃控制问题进行了研究。 首先,采用弹簧负载倒立摆模型（SLIP）对四足机器人结构进行简化处理,建立了简化模型的动力学方程, 并分析了模型的运动过程以及着陆相与腾空相的转换条件。其次,在仿真平台中建立了 SLIP 动力学模型, 通过动力学仿真得到了一份仿真样本数据,并利用这份样本数据训练了一个神经网络,其中样本考虑了四足 机器人在与地面接触过程中由于碰撞和阻尼所消耗的能量。最后,在仿真平台中进行验证,给定模型的初始 高度和水平速度,通过神经网络计算出合适的着陆角,得到期望的水平末速度和弹跳高度。实验结果表明, 基于神经网络的方法可以较精确地实现对 SLIP 模型运动的控制。     

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量（DCM）的在线步态规划方法. 将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM）,根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点（ZMP）约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩. 通过仿真验证以上算法,仿真结果表明：与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.     

崎岖地形环境下四足机器人的静步态规划方法

为了使四足机器人能够通过姿态调整提高其自身的地形适应性,给出了机器人姿态调整角的计算方法。四足机器人在行走过程中通过躯干的摆动增加稳定裕度,并使用五次曲线对躯干运动轨迹进行规划,保证了整个运动过程的连续性。另外,为克服机器人无法获取地形信息的不足,规划了一种矩形摆动足足底轨迹。仿真实验结果表明:使用提出的静步态规划方法,四足机器人可以在未知地形信息的情况下,实时、自主、稳定地通过复杂度较高的崎岖地形。     

Slope Terrain Locomotion Control of a Quadruped Robot Based on Biological Reflex CPG Model

Inspired by the neuronal principles underlying the tetrapod locomotion,this paper proposed a biomimetic vestibular reflex central pattern generator(CPG) model to improve motion performance and terrain adaptive ability of a quadruped robot in complex situations,which is on the basis of central pattern generator (CPG) model constructed by modified Hopf oscillators.The presented reflex model was modified in the light of the particular joint configuration of the quadruped robot and the trot gait pattern.Focusing on slop locomotion of the quadruped robot with trot gaits,the cosimulations of the ADAMS virtual prototype,CPG mathematical expressions with vestibular reflex and Simulink control model were conducted.The simulation results demonstrated that the presented CPG controller with vestibular reflex was more efficient and stable for the quadruped robot trotting on slopes,compared with the different trotting control models.     

基于三维空间曲线的四足机器人轨迹规划

四足机器人在对角小跑运动下的稳定性问题是当前四足机器人研究的热点,故分析了机体力矩对机体运动过程中稳定性的影响,提出一种新的足端轨迹函数。首先对机器人进行运动学分析,参照优宝特型四足机器人建立三维模型并搭建了仿真环境;然后分析机体力矩,得出机体翻转原因,即机体腿部摆动对机体产生的反作用力矩和重力产生的倾覆力矩以及运动中足端所受到的冲击力矩。在此基础上,通过利用机器人摆动腿侧摆关节运动提供一个力矩以平衡部分反作用力矩和倾覆力矩,提出了一种基于三维空间曲线的足端轨迹规划。最后,通过对比仿真实验验证了所提足端轨迹规划的有效性和正确性。     

基于模型预测控制的四足机器人斜坡自适应调整算法与实现

为了实现四足机器人在有斜坡地形下的自适应稳定行走,在模型预测控制基础上进行扩展,设计四足机器人在斜坡上的足端位置调整与躯干姿态自适应调整策略。由惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)测得机器人运动时的姿态参数,通过推导的足端轨迹算法,得到足端位置的坐标映射,调整机器人在斜坡上的重心位置;通过设计的“虚拟斜坡”躯干姿态调整算法,实现机器人在上坡过程中躯干姿态的自适应调整。利用实验室的四足机器人物理平台和搭建的实际斜坡地形环境,验证了所提算法的可行性和有效性。机器人平台验证结果表明,所提出的斜坡自适应控制方法提高了机器人在坡面上的稳定裕度,优化了足端运动空间,实现了四足机器人的自适应爬坡调整。     

Continuous and smooth gait transition in a quadruped robot based on CPG

To improve the smoothness of motion control in a quadruped robot, a continuous and smooth gait transition method based on central pattern generator (CPG) was presented to solve the unsmooth or failed problem which may result in phase-locked or sharp point with direct replacement of the gait matrix. Through improving conventional weight matrix, a CPG network and a MATLAB/Simulink model were constructed based on the Hopf oscillator for gait generation and transition in the quadruped robot. A co-simulation was performed using ADAMS/MATLAB for the gait transition between walk and trot to verify the correctness and effectiveness of the proposed CPG gait generation and transition algorithms. Related methods and conclusions can technically support the motion control technology of the quadruped robot.     

Co-simulation of a quadruped robot's mechanical and hydraulic systems based on ADAMS and AMESim

In order to observe the change and fluctuation in flow and pressure of a hydraulic quadruped robot''s hydraulic system when the robot walks on trot gait, a co-simulation method based on ADAMS and AMESim is proposed. Firstly, the change rule in each swing angle of the hydraulic quadruped robot''s four legs is analyzed and converted to the displacement change of the hydraulic cylinder by calculating their geometric relationship. Secondly, the robot''s dynamic model is built in ADAMS and its hydraulic and control system models are built in AMESim. The displacement change of the hydraulic cylinder in the hydraulic system is used as the driving function of the dynamics model in ADAMS, and the driving force of the dynamics model is used as the loads of the hydraulic system in AMESim. By introducing the PID closed-loop control in the control system, the co-simulation between hydraulic system and mechanical system is implemented. Finally, the curve of hydraulic cylinders'' loads, flow and pressure are analyzed and the results show that they fluctuate highly in accordance with the real situation. The study provides data support for the development of a hydraulic quadruped robot''s physical prototype.     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

Compliant landing of a trotting quadruped robot based on hybrid motion/force robust control

A compliant landing strategy for a trotting quadruped robot on unknown rough terrains based on contact force control is presented. Firstly, in order to lower the disturbance caused by the landing impact force, a landing phase is added between the swing phase and the stance phase, where the desired contact force is set as a small positive constant. Secondly, the joint torque optimization of the stance legs is formulated as a quadratic programming(QP) problem subject to equality and inequality/bound constraints. And a primal-dual dynamical system solver based on linear variational inequalities(LVI) is applied to solve this QP problem. Furthermore, based on the optimization results, a hybrid motion/force robust controller is designed to realize the tracking of the contact force, while the constraints of the stance feet landing angles are fulfilled simultaneously. Finally, the experiments are performed to validate the proposed methods.