基于中枢模式发生器的仿生机器狗步态控制的应用研究

由于人工规划产生的步态是比较僵硬的、缓慢的,缺乏灵活的自组织能力,与真正的动物步态存在很大差别;文章提出了机器狗生物步态的概念;以生物的中枢模式发生器CPG模型为核心建立仿生四足机器狗运动控制系统;根据哺乳动物的肢体运动关系,建立机器狗膝髋关节运动关系方程,并设计系统软硬件;设计的控制器能够有效地克服机器狗关节轨迹跟踪控制中耦合、力矩非线性等因素的影响,且具有自适应能力;通过仿真验证了应用于机器狗的生物CPG控制机理的控制方法是有效的。     

姿态特征结合2维傅里叶变换的步态识别

目的 针对现有步态识别方法易受携带物品、衣服变化等影响的问题,提出了将无肩姿态能量图、步态参数等姿态特征与步态参数的2维傅里叶变换相结合的步态识别算法。方法 基于姿态关节点序列提出忽略肩膀宽度信息的无肩姿态能量图,用以减弱衣服变化的影响;由于下肢受衣物及背包影响较小,提取3个或3个以上的下肢关节点局部结构参数,即提取中臀点与左右膝关节点、中臀点与左右踝关节点构成的两个三角形面积以及所有下肢关节点构成的多边形面积作为步态参数,增强下肢参数在步态识别中的作用;人在行走时,单肢体的运动具有一定的周期性,且肢体之间运动具有一定的协调性,用步态参数的2维幅度谱来表示单肢体运动的周期性与肢体之间运动的协调性,以提高步态参数的可区别性;在现有典型步态特征的基础上,融合本文提出的无肩姿态能量图、步态参数及其2维傅里叶变换幅度谱,采用多特征表示步态的方法,充分利用各特征的优点,提出加权平均与最大池化相结合的两层分数融合策略进行步态识别,提高了步态识别算法在携带物品、衣服变化和跨视角等条件下的正确率。结果 实验结果表明,在中国科学院自动化研究所发布的步态数据集CASIA-B上,本文方法在相同视角条件下,正常状态、背包状态和穿大衣状态的平均识别率分别为99.56%、99.23%和94.25%;在跨视角条件下,正常状态、背包状态和穿大衣状态的平均识别率分别为91.32%、85.34%和69.51%。与典型算法相比,穿大衣状态的识别率有显著提升。结论 本文方法采用加权平均与最大池化相结合的两层分数融合策略,综合利用各特征的优点及其适用场景,有效提高了步态识别的准确率,特别是减弱了衣服厚度、样式等变化对步态识别的影响。     

NSGA-Ⅱ在蛇形机器人中的优化与控制

研究蛇形机器人蜿蜒运动步态的优化与控制问题。结合摩擦力模型,并分析蛇形机器人运动步态模型,根据基于闭环反馈的控制系统结构运用PID控制器对其步态进行跟踪控制,在此基础上采用基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对步态进行优化,该优化方法实现对闭环反馈跟踪控制系统的参数优化。仿真结果表明,NSGA-Ⅱ算法能达到变量优化目的,在功率和速度之间寻找最优值,对于解决蛇形机器人运动步态多目标优化问题是可行有效的。     

蛇形机器人蜿蜒运动控制分析

针对蛇形机器人的蜿蜒运动控制,首先分析了关节角度约束对运动控制函数参数取值的限制,确定了满足机械结构的运动控制参数范围;之后在Adams仿真环境下,建立蛇形机器人的三维虚拟运动模型,进行蜿蜒运动仿真,通过分析幅值控制参数对蛇形机器人弯曲度、运动速度和运动轨迹偏移的影响,提出了调整幅值参数的方法;实验结果表明,调整方法的有效性,从而实现蛇形机器人蜿蜒运动控制的优化。     

四足机器人节律柔顺行走控制

针对节律运动突变碰撞力大和柔顺性低的问题,改进基于Hopf振荡器的中枢模式发生器模型,提出一种节律柔顺行走控制方法。分析Hopf振荡器输出信号与关节运动之间的关系,整合膝关节变量,改变神经元之间的作用关系,实现对称步态和非对称步态行走;分析节律运动碰撞力突变对四足机器人行走产生的负面影响,提出基于碰撞力大小和四足机器人身体姿态的柔顺性评估方法;通过连续调整碰撞阶段大腿的摆动幅度,增大摆动周期,减小碰撞阶段的关节运动速度,形成机器人本体与地面之间的缓冲,实现节律柔顺行走。四足机器人慢走步态和对角小跑步态仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

徒步导航系统中的自适应步态优化检测方法研究

针对步态检测的可靠性和准确性成为制约个人徒步导航定位系统高精度定位的主要因素,提出一种基于K均值聚类参数调整的自适应步态检测算法。首先研究行走过程的足部运动规律,并分析惯性测量单元输出加速度和角速率的数据特征,提出采用比力幅值滑动方差作为检测依据的步伐检测方案;分析滑动方差窗口参数、初始检测阈值参数和误检修正时间参数对于检测结果的影响并指出三者的关系,确定窗口参数、初始阈值选择的一般准则以及利用K均值聚类自适应确定时间参数以纠正初始检测结果中误检步态的可行性。利用实验室现有MEMS传感器开展了5组不同状态下的徒步实验,实验结果验证了步态检测算法的可行性和有效性。     

van der Pol系统极限环幅值的时滞控制

对含有时滞位移和时滞速度的van der Pol方程进行了研究,着重研究了时滞参数对van der Pol方程极限环幅值的影响．首先采用摄动法从理论上推导出极限环幅值与时滞参数之间的关系,分析时滞参数对幅值大小的影响,并着重讨论了不改变振动频率情况下对幅值的控制．最后用数值计算的方法验证了理论计算结果,结果表明数值计算结果与理论结果相当吻合．     

速度受限的全方向康复步行训练机器人Backstepping补偿跟踪控制

全方向康复步行训练机器人需要跟踪医生指定的训练轨迹、针对运动过程中速度过快而影响康复者安全性问题,提出一种基于Backstepping补偿方法的速度受限型控制器设计方案,目的是保证康复者的安全训练.通过限制实际运动速度的幅值,并根据所提出轨迹跟踪误差和速度跟踪误差的实时补偿方法,实现了全方向康复步行训练机器人在安全速度下的轨迹跟踪.基于李亚普诺夫稳定性理论和LaSalle不变性原理,证明了补偿误差系统和跟踪误差系统的渐近稳定性.通过仿真结果对比分析,表明了所提控制器设计方法的有效性和可行性.     

人体步行规律与仿人机器人步态规划

从仿生学角度分析了人体的步行运动规律,提出了一种基于人体运动规律的仿人机器人步态参数设定方法.首先对人体步行运动数据进行捕捉并分析,得出人体各步态参数间的函数关系,以人体步行相似性作为评价指标,提出仿人机器人步态参数的设定方法.其次,通过分析人体在步行过程中的补偿支撑脚偏航力矩的基本原理,提出了基于双臂及腰关节协调运动的仿人机器人偏航力矩补偿算法,以提高仿人机器人行走的稳定性.最后通过仿真及实验验证了所提出的步态规划方法的正确性及有效性.     

基于X86平台和RSI的工业机器人步态自动控制系统设计

工业环境中的任务和工作场景是动态变化的,机器人需要能够根据环境的变化调整步态,以满足新的任务需求。为此,设计基于X86平台和RSI的工业机器人步态自动控制系统。以复杂指令集计算机为基础的X86架构设计机器人控制器主板,使系统具有高集成度和扩展性。利用超声波传感器和红外线传感器获取步态自动控制传感信号。使用基于AS5040型高精密非接触磁性转动编码器的步态关节控制器,通过总线扩展,定位关节运动方向。分析机械臂前后摆动步态规划轨迹,控制髋关节。使用RSI应用程序包控制点位运动,实现步态自动控制。实验结果表明,设计系统的膝关节x方向与实际轨迹只存在最大为20mm的误差,y方向与实际轨迹一致;髋关节x方向与实际轨迹只存在最大为20mm的误差,y方向与实际轨迹只存在最大为15mm的误差,能够提高控制精度,控制效果较好。     

基于扩展雅可比矩阵的冗余液压驱动四足机器人运动控制

针对冗余液压驱动四足机器人运动学逆解问题,提出一种基于扩展雅可比矩阵的冗余液压驱动四足机器人运动控制方法.该方法既能解决冗余自由度带来的逆解多解问题,还能使机器人足端入地角度满足摩擦锥要求避免足端滑动.首先,规划机器人足端轨迹得到机器人足端速度,在分析机器人足端入地角度对机器人运动性能影响的基础上,结合机器人腿部结构几...     

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。     

Design of a cat-inspired robotic leg for fast running

This paper introduces a novel design for a robotic leg to achieve a fast running mechanism that is inspired by domestic cats. The skeletomuscular system and parallel leg movement of a cat are analyzed and applied to determine the link parameters and the linkage structure of the proposed mechanism. The linkage design of the leg mechanism is explained, and a kinematic analysis based on vector loop equations is performed. The effectiveness of the proposed mechanism is verified experimentally. A single leg clamped to a vertically moving slider exhibits a step frequency of 4.45 Hz while supporting a 0.5 kg body weight. The biped robot runs at an average speed of 0.75 m/s at a step frequency of 2.8 Hz for a trot gait on flat ground. This leg mechanism can facilitate the development of fast running robot systems.     

基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足,手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验,并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID（比例-积分-微分）控制器来调整骨钻的轴向进给速度,并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数,使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后,仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明,轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15 N,相对力控制误差小于3%,且无明显超调;正弦力响应幅度在频率为3.49 rad/s时衰减到-3 d B,闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求,提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。     

基于改进ADRC的PMSM无位置传感器转速控制

永磁同步电机(PMSM)是一个非线性、多变量、强耦合系统,具有不确定的外部干扰;为了提高对其转速控制精度,采用改进自抗扰控制代替传统自抗扰控制(ADRC);通过插值法构建一个新的函数来代替ADRC中原有的最优控制函数,并用线性误差反馈控制率代替非线性误差反馈控制率(NLSEF)以此来降低调参难度;同时建立基于脉振高频注入法和滑模观测器法的位置辨识系统,以满足PMSM转子位置的辨识精度要求;仿真结果表明,改进ADRC能够在无位置传感器控制方法中取得较好的控制效果,转子位置估计的误差小于0.002 rad,转速估计误差小于0.02 rad/min,转速超调量小于4%,最大振荡不超过60 rad/min,与传统ADRC控制器相比系统抗扰动性更强,电机位置和速度辨识效果也更优。     

Posture Stabilization Strategy for a Trotting Point-foot Quadruped Robot

This paper proposes a posture stabilization strategy for achieving the stable trot gait of a point-foot quadruped robot. Specifically, a stepping strategy (foot placement strategy) has been developed to achieve a stable trot gait. Because in the trot gait of a quadruped robot the diagonal legs can be considered to contact and leave the ground at the same time, the trot gait can be considered as a virtual biped gait. Based on the dynamic model of a virtual biped gait, the stepping point (or the foot placement) that achieves the stabilization of the robot is determined. Finally, the effectiveness of the proposed posture stabilization strategy is validated experimentally.     

Simulation and Optimization of Regular Motions of a Tube-Crawling Robot

The paper is devoted to issues associated with thetube-crawling robot designed at the Munich Technical University. Wefocus on the simulation of the robot dynamics and the optimization ofstructural parameters of the machine and characteristics of its gait.The mathematical model of the eight-legged tube-crawling robotperforming regular motions at a constant speed along a cylindrical tubeis described. On the basis of this model we investigate the influence ofthe machine design and gait parameters on the robot velocity and findtheir optimal values providing the maximal velocity under givenparametric and drive constraints. Numerical examples are presented anddiscussed.     

平面双足机器人虚拟斜坡行走步态生成算法研究

在平面双足机器人上应用虚拟斜坡行走方法设计了具有4个参数的步态生成算法．根据虚拟斜坡行走成立的基本条件研究了步态参数之间的关系,最终将独立参数减少到3个．步态参数具有明确的物理意义,可以实时地、便捷地调节行走速度．在平面机器人Stepper上采用所提出的步态生成算法,实现了1.243.88腿长秒的连续速度切换．     

动力定位船舶自适应滑模无源观测器设计

针对带有模型参数不确定性的动力定位船舶,提出一种动力定位船全速域自适应滑模无源观测器,解决了现有观测器只能应用于低速作业动力定位系统的问题.采用速度估计误差作为滑模面,设计切换自适应律估计模型不确定项上界,保证了观测器增益的有界性和系统鲁棒性.对速度估计回路的无源性进行了分析,并证明了观测器的稳定性.最后利用船舶动力定位系统半实物仿真平台,验证了算法的有效性.