基于ZMP的仿人机器人跑步运动模式

采用小车-曲面桌子模型,提出了一种基于零力矩点(zero moment point,ZMP)的仿人机器人跑步运动模式.在单腿支撑阶段和飞行阶段,分别规划了仿人机器人的质心运动轨迹和双脚运动轨迹.在单腿支撑阶段,求解根据小车-曲面桌子模型建立的动力学方程,依据小车的运动轨迹规划出仿人机器人的质心轨迹;在飞行阶段,仿人机器人质心可看作抛物线运动,质心轨迹可通过水平方向上的匀速运动和竖直方向上的自由落体运动轨迹表示.分析了双脚与地面接触时的力及力矩约束.通过改变ZMP调整身体的倾斜角度,保持身体动态平衡.同时根据动力学方程分别求解出踝关节及其他关节的关节力矩.仿真实验结果表明:仿人机器人跑步时各关节角度和关节驱动力矩变化稳定,能够实现稳定的跑步,验证了方法的有效性.     

基于神经网络的仿人跑步机器人步态规划

为了快速生成仿人机器人跑步运动轨迹,研究了一种用于仿人机器人跑步步态生成的步态规划器。采用三维弹簧倒立摆模型描述跑步过程中仿人机器人质心运动规律,奔跑时机器人质心轨迹及落脚点位置可以由四个步态参数来确定,从而将步态规划问题转化成步态参数优化问题,求解了500余种不同运动状态下的步态参数。建立了基于三层BP神经网络的步态规划器,将优化结果作为训练样本训练神经网络。用上述规划器实现了仿人机器人跑步步态规划并对规划结果进行了仿真验证。研究结果表明,基于BP神经网络的步态规划器可以实现步态参数的快速计算,生成的跑步步态逼真;提出的跑步运动步态规划方法可行,为仿人机器人实时轨迹生成提供了一种解决方法。     

基于三质心模型的类人机器人射门算法

为了实现快速稳定的射门动作,提出了一种基于三质心模型的类人机器人射门轨迹规划方法。首先,根据三质心模型,得到包含游动腿轨迹和躯干轨迹的零力矩点(ZMP)方程, 采用三次贝塞尔曲线规划游动腿轨迹和ZMP轨迹,根据ZMP方程求解出类人机器人的躯干轨迹;其次,在双腿支撑相根据线性摆模型计算类人机器人的质心轨迹,实现射门姿态的快速调整;最后,在RoboCup 3D仿真平台中应用此算法实现了类人机器人的快速射门动作,并与其他球队的射门动作进行了对比。实验结果表明：应用该算法仅需手工调试即可快速实现稳定的射门动作,射门动作时间有很大减少,可增强机器人足球队的竞争力。     

欠驱动冗余度空间机器人优化控制

欠驱动控制是空间技术中容错技术的重要方面.本文研究了被动关节中有制动器的欠驱动冗余度空间机器人系统的运动优化控制问题.从系统动力学方程出发,分析了欠驱动冗余度空间机器人的优化能力和控制方法;给出了主、被动关节间的耦合度指标;提出了欠驱动冗余度空间机器人系统的“虚拟模型引导控制”方法,在这种方法中采用与欠驱动机器人机构等价的全驱动机器人作为模型来规划机器人的运动,使欠驱动系统在关节空间中逼近给出的规划轨迹,实现了机器人末端运动的连续轨迹运动优化控制;通过末关节为被动关节的平面三连杆机器人进行了仿真,仿真的结果证明了提出算法的有效性.     

基于虚拟样机技术的四足机器人静态稳定步态规划

针对现有技术文献中广泛使用的多种静态稳定步态中速度稳定性与稳定裕度不可兼得的通病,在随动质心的静态步态基础上,利用参数化坐标变换矩阵方法规划出一种四足机器人前进过程中质心以曲线轨迹移动的静态步态方法,使该步态方法以连续性速度运动的过程中保证一定稳定裕度;通过D-H法求得四足机器人的逆运动学坐标变换矩阵,分别在三维空间中对四足机器人的四组足端轨迹方程进行规划,并带入MATLAB软件后以逆运动学方程计算出关节夹角驱动方程,利用步态规划图求出机器人四条腿各自对应的夹角驱动方程以及机体质心轨迹方程;最后在MSC.ADAMS软件中建立四足机器人虚拟样机并对规划的步态进行虚拟仿真,仿真结果验证了该步态对提升四足机器人对于速度连续性以及稳定裕度的提升。     

四足步行机器人爬行步态的计算机仿真

由于机器人数学描述的复杂性,使得在机器人运动学、动力学分析方面显得较为困难,计算机虚拟仿真技术在该领域的应用为机器人的运动特性分析提供了依据.文中建立了一个连续转动式腿机构的四足步行机器人模型,并规划了该机器人的一种直线爬行步态,利用ADAMS虚拟样机软件对机器人的爬行步态进行了动力学仿真,得到了机器人各个关节相关物理量的变化曲线,分析了四个髋关节的驱动力矩在步行过程中的变化情况.通过仿真,验证了步态规划的合理性,同时为进一步选择电机、分析机器人系统的动态特性提供了依据.     

三分支机器人协调操作及关节力矩优化

针对三分支机器人协调运动，采用分离影响系数法分离各个分支的雅可比矩阵和惯性矩阵，再重新组合成整个系统的雅可比矩阵和惯性矩阵，建立三分支机器人运动学和动力学方程．应用乘子罚函数方法，对三分支机器人基于最小关节驱动力矩优化设计,避免矩阵的奇异值分解，提高计算的稳定性，应用迭代方法，简化了问题的求解．     

工业机器人负载动力学参数辨识方法

为了解决负载变化导致的机器人控制性能降低的问题,本文在分析负载动力学参数对各关节力矩的影响的基础上,提出了一种仅驱动机器人的第3、4、5、6轴运行激励轨迹的辨识方法．首先,基于最小惯性参数集线性化工业机器人动力学模型;其次,在分析负载参数对各关节力矩的影响的基础上,选取相应的运动关节轴,设计适用于负载辨识的有限项傅里叶级数的优化激励轨迹;然后,在空载和带3种不用负载情况下运行激励轨迹,采集关节角度和关节力矩数据,并将数据通过低通滤波器处理;最后,基于动力学线性模型使用加权最小二乘法辨识负载动力学参数．机器人运行验证轨迹,通过计算负载力矩计算值和测量值的差的均方根（RMS）来评价负载辨识结果．同时将该方法与CAD（computer aided design）方法对比,结果显示前者最多可以将后者RMS值降为原来的16%,且该方法对不同负载辨识结果稳定有效．该方法避免了驱动所有关节轴运动的方式,减小了机器人耦合带来的误差,同时缩短了激励轨迹参数优化时间,有效提高负载动力学参数的辨识效率和效果．     

基于腰关节力矩补偿的仿人机器人快速步行模式生成

为了有效地提高仿人机器人动步行能力,利用基于预观控制的ZMP 步态生成模式的优点并引入脚尖 脚后跟与地面间的旋转关节,生成了机器人的质心和踝关节轨迹．同时,为了得到更快的步行速度,提出了侧向质 心摆动幅度递减和腰关节偏摆力矩补偿的方法．最后在虚拟物理环境下,利用动力学仿真软件实现了虚拟3-D 仿人 机器人快速动步行．仿真结果证明了所采用方法的有效性．     

基于运动学和动力学的关节空间轨迹规划

在机器人轨迹优化设计的研究中,轨迹规划是实现机器人高速、高精度运行的核心,合理的轨迹规划不仅要满足机器人的运动学要求,而且要满足机器人的动力学要求,在驱动电机不变的情况下,增加机器人的速度和载荷是轨迹规划的难点。利用先进的python软件对机器人的运行轨迹进行深入的分析,在关节空间内采用五次插值多项式进行运动轨迹拟合,并将动力学模型加入到轨迹规划中。生成的拟合曲线表明,机器人在关节空间和工作空间内的位移、速度、加速度、加加速度曲线连续可导,各时间段的峰值力矩、峰值功率趋于同一数值,能有效的提高运动部件的速度和寿命。     

具有2DOF铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人

为了探索脊柱运动对腿运动的增强机理,设计了具有2自由度铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人。对带腾空相的跳跃（bound）步态奔跑运动的力学过程进行描述,采用阻尼型弹性负载倒立摆（D-SLIP）模型建立了四足机器人动力学模型。依据猎豹的奔跑运动模式,对四足机器人脊柱关节与腿关节的耦合运动进行了轨迹规划。提出一种改进的粒子群优化（PSO）算法,解决了机器人脊柱关节驱动机构尺寸和运动轨迹控制参数之间目标互斥的嵌套优化问题。对四足机器人跳跃奔跑运动进行动力学仿真,结果表明：脊柱与腿的协调运动可以增大奔跑步幅,使机器人产生腾空相,从而提高机器人的奔跑速度。     

一种仿人机器人跑步状态分析模型

依据仿人机器人跑步的动力学特性,通过对仿人机器人虚拟加速度传感器输出的信号进行分析,建立了仿人机器人跑步相关特征值的概率模型.针对仿人机器人的结构,分析了在整个跑步过程中惯性力和弯矩的作用,对跑步状态的影响,获取虚拟加速度传感器输出的信号,采用小波变换分析动态信号,同时进行快速傅里叶变换,在频域上提取能量特征值.使用马氏距离作为稳定跑步的判定标准,并给出了定量描述,在ADAMS软件中搭建仿人机器人,虚拟加速度传感器设置在质心处,进行跑步仿真实验,仿真实验结果表明,该模型能够反映仿人机器人的跑步特性,仿人机器人能够在跑步状态发生改变时,根据跑步特征及时调整步态,保证其稳定性.     

Variable stiffness control of series elastic actuated biped locomotion

This study investigates the problem of dynamic walking impact on a biped robot. Two online variable stiffness control algorithms, i.e., torque balance algorithm (TBA) and surface fitting algorithm (SFA), are proposed based on virtual spring leg to achieve compliant performance. These two algorithms target on solving the high nonlinearity commonly existing in legged robot actuators. A planar biped robot experiment platform is designed for testing the proposed variable stiffness control. The experiments compare the performance of TBA and SFA and verify that applying the variable stiffness control of a virtual spring leg is capable of effectively absorbing unforeseen ground impacts and thus improving stability and safety of walking biped robots.     

基于连杆力矩传感器动态补偿的机器人灵巧手笛卡儿阻抗控制

为了对连杆空间力矩传感器进行动态补偿,提出了适用于求取串联机器人任意连杆中任意一点处所受的内力和内力矩的算法.该算法采用连杆假想截断原理利用牛顿-欧拉方程推导而出.推导过程综合考虑了串联机器人是否处于静态以及末端是否受外力作用的情况,以及串联机器人的关节是否是回转关节的情况.然后利用该算法计算动态补偿值,构建了基于连杆力矩传感器动态补偿的笛卡儿阻抗控制器.最后在HIT/DLR Hand II五指灵巧手上进行了实验验证.实验结果一方面验证了该算法的有效性,另一方面也验证了本文所构建的笛卡儿阻抗控制器的有效性.     

侧向推搡下的四足机器人复合抗扰控制策略

针对四足机器人侧向推搡下的平衡恢复问题,提出了一种复合抗扰反应式鲁棒控制策略.该策略由摆动相的自适应侧摆规划策略和支撑相的关节抗扰控制构成.摆动相自适应侧摆规划策略通过四足机器人足端落地点的力平衡条件进行主动式步态规划以保证机器人在侧向推搡下的姿态稳定,并基于关节输出力矩给出了侧摆的启动条件.支撑相关节抗扰控制通过带扰动项的四足机器人完整动力学模型设计了基于干扰观测器的鲁棒滑模控制器,实现对侧向推搡扰动的补偿.最后,通过Matlab与ADAMS联合仿真验证了提出的控制策略的有效性.     

一个考虑关节角极限的柔性冗余度机器人动力学算法

给了了一种考虑关节速度极限的柔性冗余度机器人动力学算法,不仅可以使机器人臂的振动得到良好的抑制,同时改善关节力矩的分配,而且能保证关节角不超过极限值,实现了运动学和动力学优化的同时进行。仿真结果证明了算法的合理性及有效性。     

Neuromechanical control for hexapedal robot walking on challenging surfaces and surface classification

The neuromechanical control principles of animal locomotion provide good insights for the development of bio-inspired legged robots for walking on challenging surfaces. Based on such principles, we developed a neuromechanical controller consisting of a modular neural network (MNN) and of virtual agonist–antagonist muscle mechanisms (VAAMs). The controller allows for variable compliant leg motions of a hexapod robot, thereby leading to energy-efficient walking on different surfaces. Without any passive mechanisms or torque and position feedback at each joint, the variable compliant leg motions are achieved by only changing the stiffness parameters of the VAAMs. In addition, six surfaces can be also classified by observing the motor signals generated by the controller. The performance of the controller is tested on a physical hexapod robot. Experimental results show that it can effectively walk on six different surfaces with the specific resistances between 9.1 and 25.0, and also classify them with high accuracy.     

COM motion estimation of a biped robot based on kinodynamics and torque equilibrium

A novel technique to estimate motion of the center of mass (COM) for a biped robot is proposed. A Kalman filter is synthesized where the time evolution of COM is predicted from the external force and corrected based on kinematic estimation and torque equilibrium. They complementarily work to compensate the initial estimation offset, the error accumulation, and errors in modeled mass properties. It makes use of the authors’ previous method to estimate the translational and rotational motion of the base body from inertial information and joint angle measurements. The information about torque equilibrium helps to reduce an uncertainty of the height of COM and to improve the estimation accuracy of it by utilizing an interference of the horizontal and vertical motion of COM. The parameters are tuned based on error analyses in mass properties and sensor signals. A comparative study showed a better performance of the proposed method than other methods through dynamics simulations.     

Compliance measurement for the Mitsubishi PA-10 robot

In this study, we measure the compliance characteristics of the 7-degree-of-freedom (DOF) vertical multiarticulated Mitsubishi PA-10 robot. To determine the compliance characteristics of the robot, numerical values of joint compliance are identified by a partial simultaneous measurement method using a force/torque sensor and a 3-D measurement system. The identified compliance is derived from an extended 10-DOF link model that comprises three additional virtual joints and seven actual joints. The virtual joints, which can be handled in the same manner as the actual joints, can be used for more accurate identification. The modeling error derived from link flexibility may be compensated by introducing the extended link model with additional virtual joints. To investigate the accuracy of the compliances identified with the extended link model, verification experiments were conducted. The results show that precise compliance characteristics are obtained from the extended link model. Finally, we reveal the compliance model of the Mitsubishi PA-10 robot, which comprises the numerical values of the joint compliance and a simple kinematic modeling.