四足机器人的爬-站运动模式转换研究

为了提高四足仿生机器人的运动协调性和环境适应性,提出了一种基于仿生原理和零力矩点(ZMP)稳定判据的控制方法,实现了四足机器人的爬-站运动模式转换运动。首先,根据正常人由爬姿到站姿的躯干和四肢运动过程,规划了四足机器人"Babybot"爬-站运动模式转换的过程;然后,基于静平衡原则,利用多变量目标函数寻优的方法,确定了机器人爬-站运动模式转换过程中的关键姿态;最后,基于ZMP稳定判据,通过线性插值实现了机器人关键位姿之间的平稳过渡,并对其爬-站运动模式转换进行了动力学仿真,结果显示"Babybot"机器人用时9.5 s完成了从四足爬行到双足站立状态的平稳转换。研究结果表明,提出的基于仿生原理和ZMP稳定判据的轨迹规划方法在实现四足仿生机器人爬-站运动模式转换方面具有一定的有效性,也为四足仿生机器人实现高性能运动提供了一定的参考依据。     

基于在线ZMP校正的下肢外骨骼上楼梯步态规划

为提高下肢外骨骼机器人上楼梯的稳定性,合理的步态规划与误差校正是至关重要的两个方面,为此,提出一种上楼梯过程中零力矩点(ZMP)的在线校正方法。首先,建立下肢上楼梯的运动模型,并进行运动学分析,利用5次B样条曲线进行下肢关节轨迹规划。其次,针对由穿戴过程中人不稳定扰动作用造成的实际与规划ZMP轨迹之间的较大误差,采用在线ZMP校正进行调节。最后,通过仿真和实际实验证明,这种在线校正能够明显减小机器人的ZMP误差,提高机器人ZMP的稳定裕度,保证下肢机器人系统的整体稳定性。     

双臂手移动机器人地面行走的研究

分析了双臂手移动机器人的系统配置及地面行走的步态规划方法;推导了实际机器人和虚拟样机中的ZMP测量方法;为实现稳定行走,提出了一种基于ZMP误差的针对关节角的步态补偿方法;最后,利用Adams与Matlab/Simulink进行了机器人虚拟样机联合仿真实验,得到各关节驱动力矩曲线、补偿关节角曲线,验证了步态补偿方法的正确性和双臂手机器人的地面移动能力。     

基于智能蚁群算法的移动机器人轨迹规划

为了提高移动机器人工作效率,减小能量损耗,优化机器人运动轨迹。建立了移动机器人运动学模型,在此基础上提出了一种智能蚁群算法的机器人误差补偿轨迹优化方法。通过蚁群搜索算法对关节空间内的驱动轮进行轨迹优化,从而实现移动机器人轨迹规划过程中的误差补偿轨迹优化。仿真结果表明,所提出的方法能够有效对机器人误差进行补偿,实现了机器人运动过程中的轨迹跟踪,保证了机器人的运动精度。     

基于遗传算法优化的仿人足球机器人步态规划研究

针对机器人足球比赛的特点及实现仿人足球机器人稳定快速步行的要求,提出了一种基于遗传算法优化的步态规划方法。首先,分析了仿人足球机器人一个完整步行周期的运动过程,根据步行中髋关节运动连续和踝关节运动间断的特点,分别采用三次样条插值与高次多项式插值进行了轨迹插值;其次,以零力矩点（ZMP）稳定裕度为参数构造了目标函数;最后,利用遗传算法（GA）对规划的步态进行了优化,从而得到了ZMP稳定裕度相对较大的稳定步态。仿真结果表明,该方法规划的步态能实现仿人足球机器人更稳定地步行。     

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。     

矿用外骨骼机器人的稳定性研究

稳定行走是外骨骼机器人研究的一个关键问题，也是实现其他功能的根本前提。基于人体步态研究和双足机器人ZMP（零力矩点）理论，推导出ZMP的计算公式；通过Adams软件仿真和外骨骼穿戴实验得出平地行走、越障两个特征动作下的人体和外骨骼人-机系统的ZMP轨迹；分别对比同一动作下的人体和外骨骼人-机系统的稳定裕度研究外骨骼人-机系统的稳定性。仿真和实验结果表明：外骨骼人-机系统稳定裕度较人体差，但完全可以满足平地行走、越障两个动作的稳定性要求。     

仿人机器人实时稳定的步态产生

仿人机器人和双足机器人相比有头、躯干和两臂,因此步行模式的产生更加复杂.讨论了一种实时产生稳定的腿部、手臂和躯干运动的方法.在径向平面的腿部运动必需满足ZMP点的X轴位置有最大的稳定裕度,与此类似,横向平面的腿运动必需满足ZMP点的Y轴位置有最大的稳定裕度.手臂和躯干的运动是由Z轴力矩平衡产生的.我们的方法已经通过仿真结果得到了验证.     

双足机器人稳定性生理论研究

针对双足机器人稳定性理论研究.详细介绍了ZMP的测量与计算方法,ZMP稳定性判据的概念以及适用条件,通过分析表明,ZMP稳定性判据可以应用于足球机器人、舞蹈机器人等复杂运动中,为ZMP稳定性判据在实际研究中的应用提供了理论依据.     

基于变长倒立摆模型的双足机器人爬楼梯步态规划

能在复杂环境中持续稳定地行走是双足机器人的一个重要性能,比如平地、楼梯.针对双足机器人爬楼梯的步态规划问题,提出了一种运用变长倒立摆模型来实现双足机器人爬楼梯步态规划的方法,并运用虚拟样机进行动态步行仿真.仿真结果表明,运用该步态规划方法可以得到可行的机器人爬楼梯轨迹.     

载人两足步行机器人步态规划

载人两足步行机器人是一种为残疾人设计,用来替代轮椅和假肢的新型步行机器人。由于其关节自由度较多,可以通过自身的调节来保持纵向及横向的平衡,从而保证动态步行的平稳,但也因此使得零力矩点(ZMP)的计算上出现耦合现象,为ZMP轨迹的精确规划带来困难。从重心的轨迹入手,通过约束重心z向坐标实现载人两足步行机器人纵向与横向的分离,进而以重心的轨迹为基础,确定了机器人行走姿态,并通过简化模型计算支撑脚关节扭矩来评估步态规划的正确性与合理性。     

基于刚度定向的工业机器人铣削姿态优化研究

针对工业机器人结构非对称引起的主刚度方向难以确定、因刚度低导致的铣削过程中容易发生模态耦合颤振的问题,提出了一种机器人加工系统主刚度定向方法,并利用机器人功能冗余特性优化姿态,以提高铣削过程的稳定性。计算工业机器人末端笛卡儿坐标系中的刚度椭球,确定切削平面内机器人的主刚度方向;通过建立加工系统的动力学模型,得到机器人铣削模态耦合颤振的稳定性判据;基于刚度定向方法,提出一种机器人铣削姿态优化算法。实验结果表明,在不改变其他参数的情况下,通过优化工业机器人姿态,可以保证机器人沿给定轨迹加工的稳定性。     

基于人工生命算法的并联机器人最优轨迹规划

基于机器人直纹面概念和人工生命算法,提出一种并联机器人位姿轨迹最优规划方法.应用计算几何中的三维直纹面生成原理,对机器人末端执行器的位置和姿态进行统一描述.考虑到机器人姿态直纹面面积及其变化率能够反映和评价机器人的运动学和动力学性能,通过求解等效角位移矢量在空间的运动轨迹形成的三维直纹曲面面积及其变化率,并将其作为泛函的泛函极值,同时考虑运动时机器人的灵活度,建立机器人位置和姿态轨迹优化的数学模型.采用人工生命优化算法对代表并联机器人位姿轨迹的高阶参数化空间曲线的参数进行优选,通过优化轨迹直纹曲面面积及其变化率和机器人的灵巧度,使并联机器人具有良好的运动学和动力学性能.最后以一三自由度球面并联机器人轨迹规划实例,验证所提出方法的可行性.     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

交叉足印双足机器人的设计与实现

双足机器人的步行方式是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。根据中国机器人大赛"双足竞步机器人"项目的要求,设计一台能够自主运行的仿人类双足机器人。首先,采用基于ZMP的步态规划算法对机器人的步行轨迹进行预判;其次,为了保证机器人行走的稳定性及外形美观,采用Solid Works三维零件制图软件进行机器人连接件的设计与组装;最后,采用具有IAP功能的32位单片机STM32F103C8T6为控制器,以实现机器人系统的无线控制及远程操作;采用六路SR403P模拟舵机,使机器人能够实现具有一定速度、节奏和稳定性的步行功能。     

面向未知复杂地形的四足机器人运动规划方法

针对四足机器人在非结构化环境下的自适应稳定行走问题,提出一种面向未知复杂地形的四足机器人运动规划方法。采用爬行步态,基于零力矩点(Zero moment point, ZMP)稳定性判据进行在线轨迹规划。通过摆动腿的落地规划和感知策略估计未知地形的参数,实时调整各支撑腿的长度以控制机器人躯体的位置和姿态与当前地形相匹配,实现四足机器人对于未知地形高度和坡度变化的自适应。试验结果表明,四足机器人能够在满足稳定性的前提下,对未知复杂地形具有良好的适应能力,验证了该方法的有效性与可靠性。     

双足机器人平地行走步态规划的研究

为了研究双足机器人平地行走过程中的步态规划问题,在二维倒立摆模型的基础上提出了周期、起步和止步三步规划法,并利用速度和位移约束实现了三个步行阶段的平稳过渡,利用倒立摆简化模型和五次样条多项式插值方法得到各个阶段质心和摆动腿踝关节的轨迹,再根据腿部关节转角简化模型利用几何法求得双足机器人的10个关节角运动轨迹;最后通过ZMP方程检验并在Matlab软件中仿真,验证步态规划的合理性并为机器人后续虚拟样机研制和仿真提供理论依据。     

双足溜冰机器人步态规划的研究

将ZMP稳定性理论应用到两足溜冰机器人的姿态稳定性分析中,得到了机器人溜冰运动的姿态稳定性判据.从仿生学的角度出发,提出了溜冰机器人的单腿蹬地溜冰步态,以稳定性分析为基础,对溜冰机器人的溜冰步态规划进行了研究,实验结果验证了步态规划方法的正确性.     

球形机器人轨迹跟踪算法

典型的动态轨迹跟踪算法针对非完整移动机器人提出了一种系统框架,并且在模拟实验中展现了良好的跟踪性能。然而,该算法在2自由度摆球形机器人系统中并未同时实现位置和姿态的收敛。讨论了一种实用的球形机器人轨迹跟踪控制算法．着眼于位置与姿态的同时收敛。受跟踪引导模式的启发．提出了一种适用于球形机器人轨迹跟踪控制的模糊自适应控制方案,并通过MATLAB对提出的轨迹跟踪方法进行了有效性验证。     

基于Pro/E和ADAMS的双足步行机器人造型及仿真研究

对步行机器人的双足进行了三维造型及运动仿真研究。首先利用通用软件Pro/E对人形机器人支撑受力部位腿部进行了三维造型的设计与装配,并在相应软件中检测了装配的正确性及精确度。然后根据ZMP稳定判据分析得出机器人步行的稳定性条件,最后将腿部模型其导入ADAMS中并对其进行了步行运动仿真。研究结果表明,所设计的步行机器人双足关节转角插值正确合理、无干涉,能够较好满足双足机器人的步行需要,论文成果具备一定参考价值和积极意义。