基于ORB-SLAM2的四足机器人定位和建图

四足机器人被认为是灾后救援、野外探索以及危险环境巡逻搜查的最佳移动平台,而定位与建图又是机器人在复杂地势环境进行自主行走的前提。搭建了一个基于四连杆并联机构的四足机器人运动平台,并且针对该四足机器人设计了相应的运动控制算法。为解决四足机器人在复杂环境中的地图构建与定位难题,采用ORB-SLAM2算法进行四足机器人的三维位姿估计,同时构建一个线程用于三维稠密点云信息的获取与拼接,并最终实现了在复杂环境中的四足机器人定位与建图功能。     

复杂环境下基于推抓协同操作的目标物体抓取

针对现有抓取技术在复杂环境下难以进行有效的目标导向性抓取的问题, 本文提出了一种基于深度强化学习的推动和抓取协同操作的方法. 相对于以往的抓取方法, 本方法使用深度学习来处理Intel-D435i相机所获得的RGB-D图像数据, 同时又在视觉网络中引入了注意力机制, 用来提高系统对工作区域内目标物体的敏感性. 其次,使用深度Q网络来学习UR5机械臂与环境之间的交互过程, 提出了密集奖励策略来评判推动或抓取操作的好坏. 随着训练次数的不断增加, UR5机械臂在训练过程中不断地优化两种操作之间的协同策略, 从而更高效的进行决策.最后, 在V-rep仿真平台上设计了仿真场景, 并进行测试, 平均抓取成功率达到92.5%. 通过与其他几种方法进行对比, 证明该方法可以在复杂环境下较好的完成目标物体的抓取任务.     

液压驱动型四足机器人电液伺服控制系统仿真建模与实验分析

复杂的作业环境和艰巨的作业任务使液压驱动型四足机器人对其伺服系统的精度、速度和力量均比一般机器人在普通情况下有更高的要求。为掌握液压驱动型四足机器人在多种路况下行走时各液压缸的受力情况以及液压系统内流量、压力的变化情况,需要对其虚拟样机进行机械动力系统和液压伺服系统的联合仿真,定性分析电液伺服系统位置、速度等被控对象的特性,并分析PID控制器在四足机器人伺服控制方面的特性与不足。针对传统控制算法在四足机器人控制存在的短板问题,设计了一种非对称前馈补偿模糊自适应PID算法,并利用物理样机进行了实际验证。实验结果为四足机器人电液伺服控制系统硬件、软件和控制算法的设计与优化指明了方向,还为研究四足机器人平稳步态控制策略提供了决策依据和数据支持。     

冗余度双臂机器人轴孔装配的三维动态仿真与实验

分析了冗余度双臂机器人进行轴孔装配的运动学约束关系,设计了一种分层递阶控制结构．通过三维图形动态仿真,在冗余度双臂机器人协调控制实验平台上进行了实验．仿真和实验结果表明该方法能够顺利地完成双臂协调插孔的作业．     

高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现

详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统.利用基于姿态解耦的运动控制方法,实现了机器人的平稳、快速运动.开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法,提高了机器人对复杂地形的适应能力.在实际运行实验中,验证了SCalf机器人在非平整路面、易打滑路面、上下坡及上楼梯状况下的运动能力,以及受到侧向冲击时的抗扰动能力和自主平衡能力,证明了SCalf四足机器人能够满足较为复杂地面环境下的行走需求.     

机器人单足系统-沙土塑性接触力学建模及验证

为了更好地实现足式移动机器人在柔软流动性地面的仿真以及反馈控制,提出了机器人单足系统与沙土(柔性地面环境)接触力学的模型.该模型讨论并继承了部分经典土力学中极限承载力理论的假设条件,并加以拓展和深化,分别建立了机器人硬质足、柔性足与沙土环境的接触力学模型.与其他模型相比,该模型充分考虑了接触面和滑裂面的外形特征,且参数均为常用已测物理参数而不需要在线的辨识过程.设计、加工并搭建了机器人单足式移动平台,完成了单足系统移动平台与沙土环境准静态和动态冲击状态下的相互作用实验.实验和仿真预测结果的对比表明,预测结果与样本数据结果的总误差为8.97%,验证了塑性接触力学模型的准确性和预测足地接触变形时力学行为的有效性.     

具有弹性连杆机构的四足机器人对角小跑步态控制

为了提高四足机器人的运动性能和抗冲击能力,设计了一种具有弹性连杆机构和线驱动系统的四足机器人,称为LCS(linkage-cable-spring)四足机器人.借鉴SLIP (弹簧负载倒立摆)模型,提出了基于着地角的速度控制策略和基于能量补偿的质心高度控制策略.采用姿态控制策略来提高对角小跑步态的运动稳定性.仿真实现了给定前进速度条件下稳定的对角小跑步态.搭建LCS四足机器人样机实验平台,完成了踏步、对角小跑步态行走实验.实验结果表明,LCS四足机器人运动过程中机身翻滚和俯仰角能控制在2?以内,并能平稳通过10 mm×10 mm小型障碍物.     

双臂搬运机器人反应式导航控制系统设计

为增强双臂搬运机器人在作业任务过程中的行进避障能力,使其运动行为得到连续有效控制,设计双臂搬运机器人的反应式导航控制系统。根据单片机与电机电路的连接形式,选择合适的ARM微处理器元件与PIC单片机结构,再联合HN-9移动平台、智能导航平台、ROS操作平台,完善反应式导航子模块的运行能力,实现控制系统的硬件单元设计。求取绝对位姿向量、相对位姿向量的计算结果,以此作为自变量系数,确定速度雅可比指标,并推断得出动力学递推表达式,完成对双臂搬运机器人的协调控制,联合相关硬件应用结构,实现双臂搬运机器人反应式导航控制系统的设计。对比实验结果：反应式导航控制系统可使机器人准确躲避行进障碍物,且躲避过程中机器人完成作业任务的能力不会受到影响,符合连续有效控制机器人搬运行为的实际应用需求。     

面向复杂地形的四足机器人步态生成方法

为实现四足机器人在凹凸地形上稳定运动并能选择最大步长的目的,提出了基于稳定裕度的步态规划方法;基于研究对象,建立四足机器人的运动学方程及逆运动学方程,将机器人足端的位置映射为各关节的关节变量;提出工作空间矩阵的概念,将所需克服的地形高度反映到工作空间矩阵中,并选择最优步态区域;依据四足机器人的立足点在质心坐标系下的空间坐标,以纵向稳定裕度为约束条件,在工作空间矩阵中计算机器人摆动腿的最大步长并规划机械腿的运动轨迹;针对所提出的方法,分别利用MATLAB和ADAMS进行仿真验证;在MATLAB环境中计算并验证质心的水平投影是否在立足点形成支撑多变形内,而ADAMS平台分析机器人在复杂地形上的位移变化及姿态变化。仿真结果表明机器人的质心始终在支撑多边形内,机器人的躯干姿态基本保持不变且运动速度匀速,所提出的方法能够保证机器人稳定行走,为四足机器人的稳定运动提出依据。     

四足仿生机器人单腿系统

为实现四足仿生机器人动步态行走,设计一款基于液压驱动方式的机器人仿生单腿系统.首先,在四足哺乳动物肌肉-骨骼结构分析的基础上,确定了机器人单腿的自由度配置;其次,通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真,获得关节输出特性;随后,在仿真研究的基础上,完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计以及控制系统设计;最后,搭建单腿子系统性能测试平台,并完成了单腿纵向弹跳实验.弹跳实验验证了机械结构和控制系统设计的正确性和相关控制算法的有效性.     

Design of an anthropomorphic dual-arm robot with biologically inspired 8-DOF arms

From the perspective of kinematics, dual-arm manipulation in robots differs from single-arm manipulation in that it requires high dexterity in a specific region of the manipulator’s workspace. This feature has motivated research on the specialized design of manipulators for dual-arm robots. These recently introduced robots often utilize a shoulder structure with a tilted angle of some magnitude. The tilted shoulder yields better kinematic performance for dual-arm manipulation, such as a wider common workspace for each arm. However, this method tends to reduce total workspace volume, which results in lower kinematic performance for single-arm tasks in the outer region of the workspace. To overcome this trade-off, the authors of this study propose a design for a dual-arm robot with a biologically inspired four degree-of-freedom shoulder mechanism. This study analyzes the kinematic performance of the proposed design and compares it with that of a conventional dual-arm robot from the perspective of workspace and single-/dual-arm manipulability. The comparative analysis revealed that the proposed structure can significantly enhance single- and dual-arm kinematic performance in comparison with conventional dual-arm structures. This superior kinematic performance was verified through experiments, which showed that the proposed method required shorter settling time and trajectory-following performance than the conventional dual-arm robot.     

Few-experiential learning system of robotic picking task with selective dual-arm grasping

Recently, robots are introduced to warehouses and factories for automation and are expected to execute dual-arm manipulation as human does and to manipulate large, heavy and unbalanced objects. We focus on target picking task in the cluttered environment and aim to realize a robot picking system which the robot selects and executes proper grasping motion from single-arm and dual-arm motion. In this paper, we propose a few-experiential learning-based target picking system with selective dual-arm grasping. In our system, a robot first learns grasping points and object semantic and instance label with automatically synthesized dataset. The robot then executes and collects grasp trial experiences in the real world and retrains the grasping point prediction model with the collected trial experiences. Finally, the robot evaluates candidate pairs of grasping object instance, strategy and points and selects to execute the optimal grasping motion. In the experiments, we evaluated our system by conducting target picking task experiments with a dual-arm humanoid robot Baxter in the cluttered environment as warehouse.     

双臂机器人的协调控制算法综述

双臂机器人系统是当前机器人领域的研究热点,特别是随着单臂机器人在操作能力、控制等方面的局限性不断凸显,最近的研究集中在拥有协调操作能力的冗余双臂机器人.对双臂操作进行分类,然后从双臂协调运动方式、双臂协调控制问题、感知传感器、模仿学习、人机交互五个方面进行分析;综述从运动学、动力学现状入手,分析了双臂协调控制与单臂控制...     

基于运动性能分析的双臂冗余度机器人协调运动研究

为了提高双臂冗余度机器人在其交互工作空间中的协调运动能力,以ABB YuMi为例,提出了一种计算简便并且能够有效反映双臂协调运动灵活性的性能指标。利用D-H法建立了YuMi机器人的运动学模型,分析了双臂可操作度的分布情况,分别研究了两种协调运动方式的运动学约束关系以及相应的运动控制规律,基于灵活性分析构建了双臂协调装配电机转子与轴承以及字母绘制的任务,通过仿真和实验验证了本文双臂可操作度指标的有效性及协调运动规划方法的正确性。     

空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作,在考虑机器人系统输入约束的条件下,提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先,给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型,作为规划与控制的基础。然后,根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略,其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后,基于所推导的运动学和动力学模型,通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式,提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果,验证了所提方法的有效性。     

一种协作型机器人运动性能分析与仿真

随着制造模式的变革,协作型机器人在工业领域的应用日益广泛。本文介绍了协作型机器人的特性,并且以KUKA LBR iiwa机器人为例,进行运动性能分析,旨在为研发此类机器人提供设计理论依据。利用Denavit-Hartenberg法建立了该机器人运动学模型。基于蒙特卡洛法在MATLAB环境下对机器人灵活性和可操作性进行分析,并对其在狭小空间内作业进行轨迹规划,仿真结果表明LBR iiwa机器人具有良好的灵活性、可操作性及避障能力。     

Sensing and gait planning of quadruped walking and climbing robot for traversing in complex environment

In this paper, a general study on improving adaptability of quadruped walking and climbing robot in complex environment is presented. First, a sensing system composed of range and gyroscope sensors in a novel arrangement is developed. By combining the sensing signals and the internal state of the robot, the surface geometry of the environment is sufficiently reconstructed in real-time. Secondly, a planning algorithm for the robot to overcome the reconstructed environment is conducted. Based on the reshaped surface, the planning algorithm not only provides the exact body trajectory and foot positions but also the adaptability of the robot in a specific environment. A method to improve the adaptability of the walking and climbing robot is also introduced. Thanks to the adherent ability of the robot, the center of gravity of the robot is allowed to move outside the support polygon to increase the reach-ability of the next swing leg. Finally, the effectiveness of the proposed approach is verified by the performances of the experiments in complex environments using a quadruped walking and climbing robot named MRWALLSPECT IV.     

基于Klann连杆的球腿复合机器人的设计与研究

结合球形和四足机器人两者优势,创新性地提出一种能适应多重作业环境的球腿复合移动机器人．在滚动模式下,对其进行直线滚动和侧滚转向分析,验证机器人转向的可行性．在四足模式下,以复数矢量法求得机器人足端坐标,并用Matlab绘制的足端轨迹曲线与Adams仿真曲线对比,验证了理论的正确性．以抬腿高度作为目标函数,由非线性规划算法求得足端轨迹最优解．采用质心投影法分析了机器人四足行走时的稳定性．建立仿真模型对机器人的四足直行、四足转向、四足爬坡和球体侧滚等运动模式进行仿真试验．同时,制作一台样机,验证了该机器人方案设计及各运动模式的可行性．     

一种基于DTW-GMM的机器人多机械臂多任务协同策略

为了控制机器人完成复杂的多臂协作任务, 提出了一种基于动态时间规整?高斯混合模型(Dynamic time warping-Gaussian mixture model, DTW-GMM)的机器人多机械臂多任务协同策略. 首先, 针对机器人示教时轨迹时间长短往往存在较大差异的问题, 采用动态时间规整方法来统一时间的变化; 其次, 基于动态时间规整的多机械臂示教轨迹, 采用高斯混合模型对轨迹的特征进行提取, 并以某一机械臂的位置空间矢量作为查询向量, 基于高斯混合回归泛化输出其余机械臂的执行轨迹; 最后, 在Pepper仿人机器人平台上验证了所提出的多机械臂协同策略, 基于DTW-GMM算法控制机器人完成了双臂协作搬运任务和汉字轨迹的书写任务. 提出的基于DTW-GMM算法的多任务协同策略简单有效, 可以利用反馈信息实时协调各机械臂的任务, 在线生成平滑的协同轨迹, 控制机器人完成复杂的协作操作.