基于双生成函数的步行机器人最优步态生成

将最优控制理论中的双生成函数方法应用到双足步行机器人的在线最优步态生成中.针对线性化的机器人模型,分别以关节角度和力矩为状态和输入变量,考虑能量消耗,构造线性二次型最优控制问题.基于一对生成函数推导得到该问题的解,可以参数化为线下计算系数和边界条件,相对应的求解过程由线下数值积分部分和线上代数运算部分组成.通过设置多步仿真实例进行计算.结果表明,利用该方法可以显著地提高机器人步态的在线生成效率.设计比例微分控制器,当机器人以合理的步长和适当的时间段行走时,由线性化引起的建模误差可以被控制在较小范围之内,非线性模型的轨迹可以很好地跟踪线性化模型的轨迹.     

基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划

提出了一种基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划方法。通过D Alembert定理推导出地面反力与机器人关节运动之间的数学关系。结合ZMP（零力矩点）稳定性原则和其他物理性约束条件,给出了双足机器人期望步态轨迹。受人类行走的启发,采用模糊策略来规划期望ZMP轨迹。该方案与传统的双足机器人步态轨迹生成方法比较,可实现稳定的行走,具有上体的运动范围小,适用于单、双脚支撑期等优点。双足机器人的实验说明了该方案的可行性和良好性能。     

Walking Stability Control Method for Biped Robot on Uneven Ground Based on Deep Q-Network

A gait control method for a biped robot based on the deep Q-network (DQN) algorithm is proposed to enhance the stability of walking on uneven ground. This control strategy is an intelligent learning method of posture adjustment. A robot is taken as an agent and trained to walk steadily on an uneven surface with obstacles, using a simple reward function based on forward progress. The reward-punishment (RP) mechanism of the DQN algorithm is established after obtaining the offline gait which was generated in advance foot trajectory planning. Instead of implementing a complex dynamic model, the proposed method enables the biped robot to learn to adjust its posture on the uneven ground and ensures walking stability. The performance and effectiveness of the proposed algorithm was validated in the V-REP simulation environment. The results demonstrate that the biped robot''s lateral tile angle is less than 3° after implementing the proposed method and the walking stability is obviously improved.     

双足溜冰机器人动态稳定性判据研究

根据轮滑原理设计出双足从动轮溜冰机器人,使用D-H方法给出运动学方程.将机器人腿划分为支撑腿和摆动腿两种类型,考虑本体平衡条件和滚轮运动约束条件,并且假设摆动腿滚轮处于最大静摩擦状态,推导出机器人滚轮与地面三种不同接触情况下的运动稳定性判据.仿真和实验证实了稳定性判据的正确性和可行性.     

Free gait generation method for omnidirectional locomotion on abrupt terrain with multi-legged biomimetic robot

In order to achieve omnidirectional locomotion on rough terrain with multi-legged biomimetic robot,a free gait generation approach is proposed based on local rules.The phase coordinates of each operation leg was established according to the motion task and a universal depiction of leg-end locomotion was implemented;the mathematical relation of gait pattern and walking velocity of multi-legged robot was put forward;combined polynomial curve was adopted to generate the leg-end trajectory,which was capable of accomplishing walking missions and accommodating to landform conditions;a distributed network of local rules for gait control was constructed based on a set of local rules operating between adjacent legs.In the simulation experiments,adaptive regulation of inter-leg phase sequence,omnidirectional locomotion and ground accommodation were realized.Moreover,statically stable free gait was obtained simultaneously,which provided multi-legged robot with the capability of walking on irregular terrain reliably and expeditiously.     

双足机器人行走稳定性研究

双足机器人行走的稳定性是双足行走最为重要的衡量指标之一.针对传统的基于零力矩点（ZMP）步态稳定性判据方法,分析了ZMP、COP的相互关系,表明在双足机器人与水平地面无粘性力和无吸附力作用下,其ZMP即为压力中心点COP.基于具有足趾关节的双足机器人足底支撑面多种变化,提出对多点接触时支撑多边形区域描述.结合ZMP/COP、COG的在支撑面内相对位置,提出了基于ZMP/COP、COG的综合稳定性判据.经仿真分析,与传统单一的ZMP稳定性判据相比,该综合稳定性判据能够更为准确地反映步态的稳定性.     

NMPC实时步态规划双足机器人步态轨迹周期稳定性分析

针对用非线性预测控制(NMPC)实时步态规划得到的拟人步行双足机器人步态轨迹,分析了模型失配和地面环境变化条件下稳态多步步行的鲁棒周期稳定性问题。通过反馈线性化,将高维混杂系统的周期稳定性问题转化为降维非可控模态的周期稳定性问题。由Poinca-re映射不动点的存在条件提出多步周期极限环的鲁棒稳定性定理,证明了多步与单步周期稳定性的一致性。通过对时间轴的离线积分,仿真分析了模型误差和速度跃变误差对极限环存在性和收敛速度的影响。本文结论对NMPC方法应用于实际物理对象具有重要理论意义和实际意义。     

Novel algorithm of gait planning of hydraulic quadruped robot to avoid foot sliding and reduce impingement

In order to solve kinematic redundancy problems of a hydraulic quadruped walking robot, which include leg dragging, sliding, impingement against the ground, an improved gait planning algorithm for this robot is proposed in this paper. First, the foot trajectory is designated as the improved composite cycloid foot trajectory. Second, the landing angle of each leg of the robot is controlled to satisfy friction cone to improve the stability performance of the robot. Then with the controllable landing angle of quadruped robot and a geometry method, the kinematic equation is derived in this paper. Finally, a gait planning method of quadruped robot is proposed, a dynamic co-simulation is done with ADAMS and MATLAB, and practical experiments are conducted. The validity of the proposed algorithm is confirmed through the co-simulation and experimentation. The results show that the robot can avoid sliding, reduce impingement, and trot stably in trot gait.     

9-DOF超冗余机器人轨迹规划优化算法

以太空舱内机器人系统9-自由度（DOF）超冗余模块机器人为研究对象,以避关节极限作为优化指标,考虑容错性能,利用微分运动的方法,分别提出了适于计算机迭代计算的冗余机器人在笛卡儿空间进行手爪姿态可变时的直线轨迹优化算法和手爪经过空间中任意不共线3点决定的平面内的圆弧轨迹优化算法。在优化算法的验证实验中,实现了利用冗余机器人完成直线轨迹拉抽屉、抓棒料和圆弧轨迹开厨门等动作。     

基于虚拟重力的双足机器人迭代学习控制

基于双足机器人在小斜坡上的无源动态行走步态,采用虚拟重力原理,得到各时刻虚拟重力对机器人关节施加的力矩,将其应用于水平面上机器人动态行走控制,结合迭代学习控制方法,实现水平面上动态行走的步态跟踪控制.仿真结果表明,相对普通PID控制方法,结合虚拟重力的迭代学习控制效果良好,具有较强的鲁棒性.     

自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法

针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,提出一种基于粒子群优化算法的机械臂关节角驱动力矩最优轨迹规划算法.首先通过对自由漂浮空间机器人系统的动力学方程进行分析,给出了以机械臂关节角驱动力矩为目标函数的轨迹最优控制算法,并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,结合粒子群优化算法对机械臂关节角轨迹进行优化求解.数值仿真表明,规划出的关节角轨迹平滑连续,在完成自由漂浮空间机器人姿态调整任务的同时,机械臂关节角驱动力矩降至最低.     

助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真

结合并联腿步行机器人和可重构机器人的优点,设计了一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人,进行了该机器人的构型设计。以四足并联腿步行机器人为研究对象,根据步行机器人整机的结构特征和基本并联腿的运动特征,将整机的运动学问题转化为单个并联腿的运动学问题,建立了机器人整机系统的完整的运动学模型,进行了机器人在爬行步态下的仿真分析,得出了驱动器杆长的仿真曲线。该项研究为四足并联腿步行机器人整机的动力学分析和控制奠定了一定的基础。     

简单双足被动行走模型仿真和分析

为了更准确理解双足被动机器人运动的本质特征,加强模型研究对实际样机设计的指导作用,采用数值仿真和Adams验证的方法研究简单两杆直腿圆弧足被动模型.分析了该被动模型的特点并通过拉格朗日法建立了与其对应的动力学模型;根据机器人稳定行走周期步态在相平面内表现为极限环特点,通过Matlab工具给出了理想模型稳态行走仿真的详细过程,分析并得出机器人能够周期稳态行走的初值条件,运动特点和运动过程中动能、势能的分布、变化过程以及相互转化关系,同时利用Matlab的仿真结果实现Ad-ams对现实样机模型稳态行走的仿真分析,为下一步对机器人稳定性分析提供了基础,为后续研究被动机器人样机提供设计依据.     

双足足球机器人行走步态研究

为了研究双足足球机器人行走时步态的连续性和稳定性，首先提出了双足足球机器人的体系结构，然后给出了基本步态算法，增加了行进中步态校正策略，包括动态和静态步伐的校正．解决了动、静态行走时步态的准确性和鲁棒性．试验数据验证了步态方程和步态校正策略能够适应FIRA比赛要求．     

双足机器人动态上下楼梯的规划与控制

针对双足机器人上、下楼梯时的稳定行走问题,结合机器人动态上、下楼梯的约束条件,规划双足机器人动态上、下楼梯的步态,并提出了相应的稳定性控制策略。其中,机器人侧向平面采用保持机器人质心动态平衡的规划方法,通过调整躯干侧向最大偏移量,实现机器人侧向平面的稳定;机器人前进方向和重力方向采用三次多项式拟合的步态规划方法,通过传感器反馈的躯干姿态角及相应的角速度信息,结合楼梯台阶信息,调整机器人前进方向和重力方向质心的位置,保证机器人运动的稳定性。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于三维空间曲线的四足机器人轨迹规划

四足机器人在对角小跑运动下的稳定性问题是当前四足机器人研究的热点,故分析了机体力矩对机体运动过程中稳定性的影响,提出一种新的足端轨迹函数。首先对机器人进行运动学分析,参照优宝特型四足机器人建立三维模型并搭建了仿真环境;然后分析机体力矩,得出机体翻转原因,即机体腿部摆动对机体产生的反作用力矩和重力产生的倾覆力矩以及运动中足端所受到的冲击力矩。在此基础上,通过利用机器人摆动腿侧摆关节运动提供一个力矩以平衡部分反作用力矩和倾覆力矩,提出了一种基于三维空间曲线的足端轨迹规划。最后,通过对比仿真实验验证了所提足端轨迹规划的有效性和正确性。     

欠驱动双足步行机器人动力学建模与稳定性分析

对具有膝关节的欠驱动双足行走机器人的被动行走步态进行了建模与数值仿真,分析了该模型被动行走步态的动态过程及机器人质量分布的优化配置问题,通过大量的仿真,验证了所选参数的合理性.通过建立具有膝关节自由度的被动步态模型,揭示双足行走的动态特性,能对欠驱动双足步行机器人原型机的机械设计提供参考.     

一种稳定的冗余度机器人动力学解法

对冗余度机器人动力学优化中的零空间最小关节力矩法和伪逆法进行了研究,阐述了运动学和动力学同时优化的必要性,提出了一种在加速度级上以最小奇异值为优化性能准则的关节轨迹规划方法.以平面三自由度机器人为仿真对象,在长轨迹情况下对三种算法进行了仿真.仿真结果表明,所提出的算法具有良好的稳定性,并极大地改善了关节空间的终态自运动现象,证明了算法的有效性.     

基于二型模糊大脑情感学习控制器的双足机器人容错控制研究

为提高双足机器人行走的控制精度,提出利用二型模糊大脑情感学习控制器对双足机器人进行容错控制.该方法利用控制器的非线性估计模块估计双足机器人的系统故障和建模误差信息,并由计算转矩控制器和鲁棒控制器实现容错控制以解决外部扰动引起的系统不稳定问题.利用Matlab对两个案例进行仿真结果表明,该方法在双足机器人出现系统故障和外部出现扰动的情况下,仍能良好地估计出控制器的输入值,使双足机器人正常运行.因此,该方法对提高双足机器人的容错控制精度及轨迹跟踪的可靠性具有很好的参考价值.     

四足步行机器人逆运动学分析

对四足机器人进行了步态规划,并推导出其逆运动学方程,基于MATLAB建立其运动学模型,以末端轨迹作为输入曲线,得到各关节运动变化曲线.然后,将关节运动变化曲线作为机器人虚拟样机的驱动信号,可使机器人按照规划步态进行运动.研究结果验证了理论分析的正确性,为多足步行机器人运动控制分析提供了理论基础.