CPG机理的双足机器人运动轨迹生成与分析

目的在对中枢模式发生器(CPG)机理分析的基础上,生成关节运动轨迹,实现对双足机器人运动步态的控制。方法根据位姿矩阵实现对踝关节末端轨迹跟踪,整定CPG模型相位参数,利用节律信号输出叠加生成运动轨迹。通过联合仿真实验,对所规划的步态进行合理性、自稳定性和自适应性分析。结果生成的运动轨迹能够实现对双足机器人的行走步态控制。结论基于CPG生成的步态能够提高机器人的运动性能,具有更强的对复杂环境的适应性。生成的运动轨迹能够为双足机器人步态规划提供借鉴意义。     

仿生双足水上行走机器人优化设计及控制方法

研究一种新型双足水上行走机器人推进机构及控制方法。借鉴蛇怪蜥蜴双足水上行走功能,分析双足机器人水上行走动力学机理;结合平面四杆机构运动和坐标转换公式,分析Watt-I型机构运动方程,用以模拟蛇怪蜥蜴的脚掌轨迹,设计双足水上行走机器人推进机构,建立机器人的虚拟样机模型并进行机构优化设计;设计机器人的中枢模式发生器(Central pattern generator,CPG)控制器和模糊控制器并进行参数分析,提出双足水上行走机器人的CPG-模糊控制方法,完成机器人控制系统的搭建,进行仿真验证;制作出双足水上行走样机,进行双足机器人水上行走试验,测得推进机构的作用力曲线;在平衡装置不工作和工作情况下分别测量机器人水上行走过程中的实时偏角,并进行比较。试验结果表明推进机构及控制方法满足双足机器人水上行走要求。     

仿生六足机器人机构设计及控制方法研究

机器人足部与壁面间的粘附能力及其运动控制策略是爬壁机器人能够在处于不同倾斜度的壁面上爬行的关键技术。模仿甲虫足部钩刺对抓的特征及尺蠖蠕动爬行运动特性设计了一种可灵活转向的仿生六足爬行机器人机构。该机器人采用CPG(central pattern generator)仿生控制方法实现其在粗糙壁面上的任意方向的运动,并且通过超声波传感器的反馈信号能够实现避障功能。机器人足部采用对抓设计提高了爬行稳定性,同时CPG控制方法简单、新颖。基于Matlab软件建立了CPG控制网络,并结合反馈信号实时调节网络输出。在Webots移动机器人仿真环境下完成了机器人建模,CPG控制器程序编写,通过动态仿真验证了六足机器人机构和控制方法的合理性,机器人爬行速度约2.7 cm/s。     

基于CPG理论的六足机器人多足协调运动控制方法

模仿生物CPG（Central Pattern Generator）控制机器人的运动是近年来提出的新方法。文章利用基于振动理论的CPG神经元模型，建立了CPG神经振荡网络，并由两个先导神经元控制两组这样的网络振荡，从而控制机器人的节律性行走中的多足协调运动。根据六足机器人的关节运动顺序，选取合适的连接矩阵，得出了合适的控制曲线，得到解决了六足机器人的多足协调运动和行走问题的方法。     

基于中枢神经模式的四足机器人步态控制

为实现四足机器人稳定的节律性行走,研究基于中枢神经模式发生器(Central pattern generator,CPG)的比例步态控制方式。构建互抑神经元组成的振荡器模型,并基于振荡器模型组建四足机器人髋关节CPG网络。通过仿真研究得到模型各参数与CPG网络输出特性之间的关系,确定一套整定后CPG网络的模型参数,提出四足机器人比例步态,通过CPG模型阈值的调整可实现不同占空比的步态。对基于CPG网络的步态反射特性进行分析。试验表明,该方法可实现稳定的四足机器人行走,且具备一定的障碍物反射能力,具有较好的环境适应性。     

基于CPG的六足步行机器人运动控制系统研究

根据CPG双层网络的特点,采用分层分布式系统架构研究制了一种机器人运动控制系统.其基于FPGA的星型总线,在保证通信速率的同时提高了系统抗干扰能力.在单足控制器中嵌入双NIOS完成CPG网络解算和电机运动控制.FPGA的灵活使用和外部3-H桥驱动的搭建,可以使单足控制器同时控制3个无刷电机并获得最小的体积.     

非线性振子的CPG步态控制方法研究

通过分析生物节律运动机理．提出基于中枢模式发生器模型的步态控制方法。利用改进的Vanderpol方程构造非线性振子作为单个CPG的数学模型。采用KB法得到振荡神经元一阶近似周期解,在此基础上设计具有线性反馈项的环状CPG网络模型,并给出了控制机器人步态协调运动方法。仿真结果验证了基于CPG模型的控制方法可以有效生成节律运动的常规步态并实现步态切换。     

基于CPG的四足机器人全方位行走控制研究

针对四足机器人全方位运动控制问题,设计了中枢模式发生器(CPG)运动控制模型。利用正弦函数构建CPG的振荡网络模型,实现了四足机器人稳定的节律直线行走、斜线和转弯行走。通过ADAMS仿真和实验,验证CPG全方位运动控制模型的可行性。     

双足跳跃机器人的适应性CPG运动控制

为解决双足跳跃机器人在突发状况下的适应性控制问题,依据生物中枢模式发生器(CPG)运动控制原理,建立了可变结构的CPG运动控制机制;模拟生物神经网络的自重构特性,在运动控制机制中添加了时间延迟响应环节,用于突发状况的判断与调节。在机器人肢体突发故障或运动受到限制时,此机制可通过对自身状态的感知自发地调整神经网络结构,以继续维持稳定的运动。最后,在仿真平台上验证了此控制机制在正常行走与肢体自由度突然受到限制2种情况下的控制效果。     

仿生直立双足机器人的稳定性控制算法

仿生直立双足机器人共有7个旋转自由度,对其稳定性控制是保证双足机器人稳定行走和姿态变换的关键。传统方法中对仿生直立双足机器人的稳定性控制采用二自由度超外差控制方法,对直立双足机器人抓握和操控的运动规划效果不好。提出一种基于末端效应逆运动学分解的仿生直立双足机器人的稳定性控制算法,构建了仿生直立双足机器人运动学结构模型,采用末端效应逆运动学分解方法对机器人的运动学模型进行七自由度重构,在重构的运动学状态空间中实现仿生直立双足机器人稳定性控制,实现控制算法改进。仿真结果表明,采用该算法进行机器人稳定性控制,机器人行走过程中各个机构部件具有稳定运动学参量的输出,仿生双足机器人的控制机构参数仿真结果与理论值在一定的波动范围内相符,保证了机器人在行走和各种行为动作实施过程的姿态稳定性。     

Energy dissipation rate control and parallel equations solving method for planar spined quadruped bouncing robot

This paper continues our investigation into Energy dissipation rate control (EDRC) and Parallel equations solving method (PESM). Our previous works showed how EDRC enables us to provide stable walking or running gaits for legged robots via controlling robot’s loss of energy rate during Impact phases (IP). This is while PESM facilitates the trajectory designing process of the robot’s active joints during each Single support phase (SSP) by solving the robot’s inverse kinematic and inverse dynamic equations in parallel. Even though PESM is very powerful and suitable for both quadruped robot, and despite the under actuation problem at the ankle joint, and biped robots, despite the presence of Zero momentum point criteria (ZMP) at the ankle joint, still, this method is limited to robots just with three and five DoFs. Therefore, the main purpose hereis to show how it is possible to extend the application of PESL to a spined quadruped robot with four DoFs by employment of the Central pattern generator (CPG) controller units and finding a connection among CPG’s output, PESM and the robot’s foot placement. Besides, as EDRC is employed to realize a stable bouncing gait for the robot, a whole numerical study is performed on the robot’s impact dynamic equations to evaluate the effect of spine joint on the robot’s impact dynamics.

     

两足步行机器人并联腿机构的步态规划及仿真

应用虚拟样机技术,建立了两足步行机器人并联腿机构的仿真模型,并在仿真环境下对步行机器人的行走姿态进行了规划和仿真试验,为确定步行机器人腿机构的结构参数和参数优化提供了实验平台,为研究和开发新型两足步行机器人及其控制奠定了理论基础。     

Trajectory generation and dynamic control of planar biped robots with curved soles

This paper proposes a locomotion pattern and a control method for biped robots with curved soles. First, since the contact point of a supporting leg may arbitrarily move back and forth on the ground, we derived the desired trajectory from a model called the Moving Inverted Pendulum Model (MIPM) where the Zero Moment Point (ZMP) exists at the supporting point and can be moved intentionally. Secondly, a biped robot with curved soles is an under-actuated system since the supporting point contacting with a point on the ground has no actuator during the single supporting phase. Therefore, this paper proposes a computed-torque control for this under-actuated system using decoupled dynamic equations. A series of computer simulations with a 7-DOF biped robot with curved soles shows that the proposed walking pattern and control method are effective and allow the biped robot to walk fast and stably, and move more like human beings. Also, it is shown that the curved sole shape has superior energy consumption compared to flat soles, and greater efficiency in ascending and descending the stairs.     

基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法

针对当前机械臂运动位置控制方法存在机械臂关节节点位置的跟踪效果差和机械臂运动位置控制能力差的问题,提出基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法。首先对机械臂动力学进行分析,获取内部三连杆结构作用原理和机械臂动力学目标函数,再利用坐标求权矩阵重构机械臂动力学目标函数,获取机械臂相关的非线性微分方程,将非线性微分方程的输出结果,即机械臂动力学参数代入 CPG 神经网络中,构建机械臂运动控制模型。实验结果表明,所提方法的械臂关节节点位置跟踪效果好、机械臂运动位置控制能力强。     

教学型双足步行机器人直线行走步态稳定规划方法

通过对双足机器人行走步态的研究,利用多项式插值法对双足机器人直线行走步态进行规划,分析了踝关节轨迹和髋关节轨迹,通过调节单腿支撑期和双腿支撑期的比例系数来调整机器人的行走步态,使其实现稳定步行。再通过ADAMS建立虚拟样机仿真实验,验证了这种步态规划方法的正确性与可行性。     

Design of a cyclic inhibitory CPG controller for the locomotion of a snakelike robot

The rhythmic locomotion of a creature is a self-excitation behavior of the CPG (central pattern generator), which makes it supremely adapted for environment. Based on this fact, firstly, a snake-like robot controller with cyclic inhibitory CPG model was designed, and then the stability of a single neuron, CPG model and the NON (neuron oscillator network) was analyzed. By implementing this control architecture to a simulator based on the mechanical dynamics of a real snake-like robot named Perambulator-I, we presented preliminary rules for parameter setting of the CPG controller to modulate the number of S shapes, the curve of the body shape, locomotion velocity, and the curve of the locomotion trajectory for serpentine locomotion. Moreover, we demonstrated that Perambulator-I can successfully exhibit serpentine locomotion by using the output of the proposed CPG controller. The results of this paper provide a realistic approach for designing an artificial CPG controller. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(5) (in Chinese)     

Biped walking robot based on a 2-UPU+2-UU parallel mechanism

Existing biped robots mainly fall into two categories： robots with left and right feet and robots with upper and lower feet. The load carrying capability of a biped robot is quite limited since the two feet of a walking robot supports the robot alternatively during walking. To improve the load carrying capability, a novel biped walking robot is proposed based on a 2-UPU＋2-UU parallel mechanism. The biped walking robot is composed of two identical platforms（feet） and four limbs, including two UPU（universal-prismatic-universal serial chain） limbs and two UU limbs. To enhance its terrain adaptability like articulated vehicles, the two feet of the biped walking robot are designed as two vehicles in detail. The conditions that the geometric parameters of the feet must satisfy are discussed. The degrees-of-freedom of the mechanism is analyzed by using screw theory. Gait analysis, kinematic analysis and stability analysis of the mechanism are carried out to verify the structural design parameters. The simulation results validate the feasibility of walking on rugged terrain. Experiments with a physical prototype show that the novel biped walking robot can walk stably on smooth terrain. Due to its unique feet design and high stiffness, the biped walking robot may adapt to rugged terrain and is suitable for load-carrying.     

基于SMA驱动模块的仿生水母机器人

通过对海月水母的仿生性研究,设计制作了一款仿生水母机器人。为实现水母钟状体的收缩与释放动作,基于形状记忆合金(SMA)丝设计了一款新颖的具有类似于人工肌肉功能的驱动模块,详细描述了该模块的结构参数和制作工艺,并对其电气特性进行了测试研究。仿生水母机器人由6组SMA驱动模块辐射对称组装构成,采用了基于中枢模式发生器(CPG)网络的仿生控制方式,实现了水母机器人三维空间内多模式游动。最后,针对水母机器人不同的运动模式进行了多组实验,水母机器人游动数据验证了控制模型的有效性。