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.     

基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究

基于蛇形机器人运动形态学,利用扩展Frenet-Serret分析了一种蛇形机器人运动的几何模型,并根据这种几何模型研究了一种确定蛇形机器人的运动步态规律的算法,称之为EFSA(extended frenet-serret algorithm)算法.用这种算法规划了无轮蛇形机器人的基本运动步态,而且重要的是实现了蛇形机器...     

新型蛇形机器人蜿蜒运动的动力学分析

为提高蛇形机器人执行各种运动的能力,研制了新型蛇形机器人系统．重点研究了该蛇形机器人的动力学．建立了机器人的运动学模型,并根据运动学模型提出了控制蛇形机器人蜿蜒运动的复合运动控制方法．用拉格朗日方法建立动力学模型,对不同参数下蛇形机器人的关节力矩特性和摩擦力特性进行了分析比较,为蛇形机器人的有效运动提供了理论依据．     

两柔性机器人协调操作的动力学模型及其逆动力学分析

柔性机器人动力学是当前机器人研究的热点,而其协调操作问题目前仍为空白．本 文首次建立了柔性机器人协调操作刚性负载的动力学模型,利用有限元法和Lagrange方程, 在柔性机器人协调操作的运动学和动力学协调约束条件基础上,推导出系统的动力学方程, 提出了其逆动力学问题的解决方案,并成功给出了平面两3R柔性臂协调操作的数值算例．     

基于层次化联结CPG模型的蛇形机器人3维步态控制

联结CPG(connectionist central pattern generator,CCPG)模型适于控制机器人生成步态,但是传统的CCPG模型无法很好地生成3维步态.为此,本文根据生物学原理,提出了一个改进的神经元模型和一个改进的层次化CCPG(hierarchical CCPG,HCCPG)模型.HCCPG模型能够生成相位协调的多自由度运动控制信号,从而解决了传统CCPG模型的步态生成问题.基于该模型,提出了一个统一方法来生成机器人的2维、3维步态.对转弯步态的特性进行了系统化深入分析,以便更好地利用该步态来适应狭窄的弯道环境.本文提出的HCCPG模型以及得到的步态特性,有助于提高机器人的环境适应能力.     

基于PSO蛇形机器人CPG控制模型参数的优化

针对蛇形机器人链式CPG(central pattern generator)复杂模型,提出了采用粒子群算法(particle swarm optimization)优化CPG控制模型参数,用来解决CPG参数整定效率低、效果不理想的问题,然后结合Webots机器人仿真软件,实现了PSO算法优化蛇形机器人CPG控制模型参数。最后利用Webots仿真软件,通过实验仿真与遗传算法的结果相对比,证实了PSO算法的优越性,为蛇形机器人的运动步态转换提供好的基础。     

蛇形机器人侧向运动的研究

本文提出了一种新型蛇形机器人机构，建立了其空间运动学模型，实现了蛇形 机器人的两种侧向运动：侧向蜿蜒运动和侧向滚动，前者通过调节两个异相波的频率比，实 现了任意方向的侧向运动．后者通过控制运动波的幅值变化，实现了各种形式的纯侧向移动 ，当幅值足够大时，这种侧向滚动可以跨越障碍．     

基于乐理的蛇形机器人控制方法研究

根据生物蛇和蛇形机器人的结构及运动特点,提出了基于乐理的蛇形机器人控制方法,定义了乐理的符号、规则与蛇形机器人控制过程的对应关系,编写了蜿蜒运动步态谱.“勘查者—I”蛇形机器人上实现了蜿蜒运动的控制. 给出了今后的研究方向．     

蛇形机器人研究现况与进展

仿生技术与机器人技术的结合，使机器人从结构设计到运动模式的选择都有了 新的进展，这大大扩大了机器人的应用领域．本文阐述了仿蛇形机器人的应用背景和研究现 状，并展望了其未来的发展．     

仿生蛇形机器人的设计及研究

对蛇的身体结构和运动形态进行了分析,掌握了蛇的运动模型,分析了蛇在蜿蜒运动过程中的受力情况。通过对蛇行运动的研究,结合结构设计、控制系统设计等,设计一条13关节的仿生机器蛇,实现蜿蜒前进、转弯、蜷缩、抬头等动作。并对仿生蛇的设计提出一些看法,结合实际,对其未来发展提出建议。     

A unified dynamic model for locomotion and manipulation of a snake-like robot based on differential geometry

A snake-like robot, whose body is a seried-wound articulated mechanism, can move in various environments. In addition, when one end is fixed on a base, the robot can manipulate objects. A method of dynamic modeling for locomotion and manipulation of the snake-like robot is developed in order to unify the dynamic equations of two states. The transformation from locomotion to manipulation is a mechanism reconfiguration, that is, the robot in locomotion has not a fixed base, but it in manipulation ha...     

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。     

Gaits-transferable CPG controller for a snake-like robot

With slim and legless body, particular ball articulation, and rhythmic locomotion, a nature snake adapted itself to many terrains under the control of a neuron system. Based on analyzing the locomotion mechanism, the main functional features of the motor system in snakes are specified in detail. Furthermore, a bidirectional cyclic inhibitory （BCl） CPG model is applied for the first time to imitate the pattern generation for the locomotion control of the snake-like robot, and its characteristics are discussed, particularly for the generation of three kinds of rhythmic locomotion. Moreover, we introduce the neuron network organized by the BCI-CPGs connected in line with unilateral excitation to switch automatically locomotion pattern of a snake-like robot under different commands from the higher level control neuron and present a necessary condition for the CPG neuron network to sustain a rhythmic output. The validity for the generation of different kinds of rhythmic locomotion modes by the CPG network are verified by the dynamic simulations and experiments. This research provided a new method to model the generation mechanism of the rhythmic pattern of the snake.     

桥梁缆索检测蛇形机器人攀爬运动分析与实现

为方便实现对桥梁缆索的检测和日常维护任务,利用蛇形机器人良好的适应性,通过研究其控制规律,给出了一种简单的并可实现蛇形机器人沿缆索进行螺旋攀爬运动的控制函数.分析了螺旋攀爬运动中控制参数与螺旋参数之间的关系,利用粒子群优化算法对控制参数与螺旋半径、螺旋上升角、螺距之间的关系进行优化拟合,给出了拟合函数.通过Webots...     

基于蛇形机器人桥梁缆索无损检测系统的研究

基于桥梁缆索无损检测的特殊性,且针对目前桥梁缆索检测智能化的需要,介绍了一种新型的检测系统,即基于桥梁缆索检测的蛇形机器人.此蛇形机器人具有较大的自由度,有非常好的环境适应能力.在分析蛇形机器人的本体结构特点和运动机理的基础上,并根据桥梁缆索的特性,研究了基于蛇形的器人桥梁缆索的无损检测系统.通过实验证明:此无损检测系...     

Development of snake-like robot ACM-R8 with large and mono-tread wheel

One of the important advantages of an active wheeled snake-like robots is that it can access narrow spaces which are inaccessible to other types of robot (such as crawlers, walking robots), since snake-like robots have an elongated, narrow body. Additionally, in areas with rubble, snake-like robots can traverse rough terrain and large obstacles since its body can conform to the terrain’s contours. ‘ACM-R8’ is a new snake-like robot which can climb stairs and reach doorknobs in addition to the features explained above. To fulfill these functions, the design of this robot incorporates several key features: joints with parallel link mechanism, mono-tread wheels with internal structure, force sensors and ‘swing-grousers’ which were developed to improve step climbability. In this paper, the design and control methods are described. Experiments confirmed high mobility on stairs and steps, with the robot succeeding in overcoming a step height of 600 mm, despite the height of the robot being just 300 mm.     

Development of adaptive locomotion of a caterpillar-like robot based on a sensory feedback CPG model

This paper presents a novel control mechanism for generating adaptive locomotion of a caterpillar-like robot in complex terrain. Inspired by biological findings in studies of the locomotion of the lamprey, we employ sensory feedback integration for online modulation of the control parameters of a new proposed central pattern generator (CPG). This closed-loop control scheme consists of the following stages: First, touch sensor information is processed and transformed into module states. Then, reactive strategies that determine the mapping between module states and sensory inputs are generated according to an analysis of the module states. Finally, by means of a genetic algorithm, adaptive locomotion is achieved by optimising the amount and speed of sensory input that is fed back to the CPG model. Incorporating the closed-loop controller in a caterpillar-like robot, both simulation and real on-site experiments are carried out. The results confirm the effectiveness of the control system, based on which the robot flexibly adapts to, and manages to crawl across the complex terrain.     

蛇形机器人互补滤波和四元数的姿态解算

针对蛇形机器人姿态解算问题,陀螺存在漂移特性,加速度计的测量值包含重力加速度和运动加速度,磁强计易受周围环境地磁干扰,并且蛇形机器人采用嵌入式微处理器,需要减少计算量.设计了用互补滤波器来实现惯性传感器的数据融合,用四元数进行姿态解算的方法.经过实验验证表明：采用互补滤波和四元数进行姿态解算能有效融合各个惯性传感器的数据,计算量小,能够满足蛇形机器人对精度和实时性的要求.     

双足机器人动态步行实时步态生成

针对双足机器人动态步行生成关节运动轨迹复杂问题,提出了一种简单直观的实时步态生成方案。建立了平面五杆双足机器人动力学模型,通过模仿人类步行主要运动特征并根据双足机器人动态步行双腿姿态变化的要求,将动态步行复杂任务分解为顺序执行的四个过程,在关节空间相对坐标系下设计了躯干运动模式、摆动腿和支撑腿动作及步行速度调整模式,结合当前步行控制结果反馈实时产生稳定的关节运动轨迹。仿真实验验证了该方法的有效性,简单易实现。