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.     

四足机器人腿型配置的仿真分析与性能评价

对于四足机器人,腿型和关节姿态的布置形式极为重要,决定着机器人的运动学和动力学性能;四足机器人的腿型配置形式多样,为了在有效行走的前提下分析不同腿型配置的四足机器人的性能优劣和效率高低,采用基于CPG的仿生步态算法进行运动控制,通过Matlab/Simulink与Adams联合仿真,从速度、能耗和地形适应性三方面对不同腿型配置的四足机器人进行仿真分析和性能评价;通过对比仿真结果得知,前肘后膝型机器人前进速度更快,运动更平稳,横向偏移更小,能耗更低,具有更好的地形适应性,运动性能更优越,为物理样机调试与优化提供了理论依据。     

一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法

针对具有2自由度主动脊柱关节的仿猎豹四足机器人,基于任务分解思想和生物神经系统机理,提出多模型融合的控制方法。该方法以弹簧负载倒立摆模型实现单腿跳跃控制,通过中枢模式发生器（CPG）实现4条腿之间以及脊柱―腿之间的协调控制,利用虚拟模型控制实现机器人与环境交互,采用基于CPG输出的有限状态机来融合3个控制模型,构建仿猎豹四足机器人的多模型分层运动控制器。参考猎豹脊柱运动特征,设计了机器人脊柱关节运动模式,给出脊柱与腿的协调控制策略。最后,在Webots仿真环境中搭建了仿猎豹四足机器人虚拟样机,实现了不同步态下的脊柱―腿的协调控制、在崎岖地形上稳定奔跑,以及平滑的对角―疾驰―对角步态转换,仿真结果验证了所提出的多模型融合的四足机器人运动控制方法的有效性。     

基于余弦振荡器的四足机器人步态生成与仿真

为实现四足机器人的稳定运动,基于四足机器人对角步态的几何模型,建立余弦振荡器,生成节律运动的上层架构以及上、下层之间的关节映射,得到完整的步态生成策略,并建立四种关节配置形式的机器人虚拟样机模型,进行运动学和动力学仿真.仿真结果表明,基于余弦振荡器的步态生成方法能够满足各种关节配置形式的机器人步态要求,验证了步态生成方法的正确性和普遍适用性,且根据机体波动率的比较,确定前肘后膝式具有更好的稳定性.     

四足仿生机器狗运动控制研究

针对四足仿生机器狗运动避障控制精度的要求,结合四足仿生机器狗运动学模型,提出了一种基于模型预测控制的运动控制方法,并探讨在不同控制参数和不同工况下模糊预测控制器的规避效果。研究结果表明,在不同控制参数和参考速度下,控制器能让四足仿生机器狗按照给定的避障轨迹进行跟踪,且跟踪轨迹误差控制在10 cm以内,偏航角误差稳定在2°以内。通过以上研究可知：基于模糊预测控制的控制器具有良好的稳定性,能较好地实现四足仿生机器狗的步态控制;同时,不同误差权重系数Q和权重系数R参数设置对机器狗的运动控制效果也不同。Q和R越小,其稳定性越强,但响应速度越慢。     

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。     

基于重心动力学及虚拟模型的负载型四足步行平台对角步态控制方法

为提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性,减小较大的腿部质量及偏心质量对稳定行走的影响,提出融合重心动力学及虚拟模型的控制方法．应用虚拟模型控制方法对机身及摆动腿加速度进行求解．结合平台重心动力学模型得到其所受合外力,而后应用二次规划将平台合外力分配到支撑腿足端．接着运用逆向动力学和关节空间PD控制得到步行平台关节力矩．通过Adams和Simulink对负载型四足步行平台对角步态行走进行仿真,并将该方法与虚拟模型控制算法进行对比．结果表明重心动力学及虚拟模型控制方法能够使平台姿态角稳定在目标值附近,在平台受到侧向冲击情况下横滚角、俯仰角分别减小约42%、21.8%,在机身偏心全向行走过程中减小50%、89%．证明了所提控制方法能够有效应对较大的腿部质量及偏心质量的影响,提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性和鲁棒性．     

连续不规则台阶环境四足机器人步态规划与控制

为了实现四足机器人在无崎岖地形先验知识情况下的自主爬行,提出了一种四足机器人运动控制方法.该方法采用间歇爬行步态作为主步态,将爬行运动分解为若干任务分别进行控制:基于NESM(normalized energy stability margin)判据计算内外倾的稳定裕度并根据其比值进行质心位置调整;使用坐标映射的方式调整足端坐标进行地面坡度适应;通过调整各腿长度控制机器人的高度;利用姿态传感器信息进行姿态恢复.仿真和实验表明,机器人仅依赖内部传感器即实现了在崎岖地形稳定行走,验证了本文方法的有效性和可靠性.     

四足机器人步态分析及仿真实现

为实现一种液压驱动的四足机器人稳定行走,根据机器人稳定裕量原则,针对JQRI00四足机器人进行了步态规划。根据前期对四足机器人的结构设计,建立了JQRI00四足机器人的虚拟样机;针对其结构特点,分别设计了四足机器人在进行直线行走和转弯时的步态规划,应用ADAMS对虚拟样机进行了直线步态仿真。仿真结果准确、合理,表明所研究的步态规划正确、可行,能够实现四足机器人稳定行走,为机器人后期进行驱动控制奠定了基础。     

一种仿婴儿欠自由度四足爬行机器人

受婴儿爬行时独特的躯体形态的启发,设计了具有柔性脊柱和弹性膝关节的欠自由度四足爬行机器人BabyBot,其脊柱为变截面通体柔顺结构,膝关节为无自由度可变形被动关节.利用伪刚体法对柔性脊柱和弹性膝关节的结构参数进行设计,采用中枢模式发生器(CPG)运动控制模型生成对角爬行步态轨迹,柔顺机构与仿生控制有机结合形成了BabyBot机器人"以膝着地、腰髋耦合"的仿婴儿爬行步态.对欠自由度仿婴儿机器人的机构可行性,以及柔性脊柱对机器人运动性能的影响进行仿真及实验,结果表明,具有弹性膝关节的欠自由度四足机器人可以实现平稳的爬行运动,变截面柔性脊柱能够减小机器人行走时躯干在横滚及偏转方向的姿态波动程度,提高了机器人运动的协调性和轨迹准确性,并揭示出婴儿爬行时脊柱的柔顺运动对稳定视觉的潜在作用.     

基于CPG的六足机器人运动步态控制方法

中枢模式发生器（CPG）在六足机器人的运动步态控制中起着至关重要的作用。为了研究六足机器人的运动控制方法,首先基于仿生学原理设计了六足机器人的机械结构,并在虚拟样机软件ADAMS中搭建其三维模型;其次选择Hopf振荡器作为CPG单元,并改进了振荡器模型;然后设计了六足机器人的CPG网络拓扑结构,包含单腿关节映射函数方案和腿间CPG环形耦合网络方案,并对其进行了改进;最后通过ADAMS和MATLAB联合仿真实验,验证了所设计六足机器人的运动稳定性和CPG控制方案的可行性与有效性。仿真结果表明,该方法能够满足六足机器人不同运动步态的控制需求,对六足机器人的运动控制具有一定的实际应用价值。     

伸缩腿双足机器人半被动行走控制研究

研究半被动伸缩腿双足机器人行走控制和周期解的全局稳定性问题.使用杆长可变的倒立摆机器人模型,以支撑腿的伸缩作为行走动力源,采用庞加莱映射方法分析了双足机器人行走的不动点及其稳定性.当脚与地面冲击时,假设两腿间的夹角保持为常数,设计了腿伸缩长度的支撑腿角度反馈控制率.证明了伸缩腿双足机器人行走过程不动点的全局稳定性.仿真结果表明,本文提出的腿伸缩长度反馈控制可以实现伸缩腿双足机器人在水平面上的稳定行走,并且周期步态对执行器干扰和支撑腿初始角速度干扰具有鲁棒性.     

基于零力矩点预观控制的在线步态规划

提出了一种基于零力矩点(ZMP)预观控制的仿人机器人在线步态规划方法。参照仿人机器人的ZMP表达式,将水平角动量引入机器人的桌子-小车模型表达式,对其进行了扩展;基于扩展桌子-小车模型并结合预观控制理论,在线完成机器人的步态规划。为了提高机器人步行的稳定性,将髋关节轨迹的优化问题转化为质心轨迹的调节问题,构造预观控制器对机器人的质心轨迹进行校正,实现机器人的步态优化。仿真结果表明了所用方法的有效性。     

六足仿生机器人机构与控制系统设计

由于六足仿生机器人的足数较多,控制其稳定行走较为复杂,针对控制六足机器人稳定行走的要求,该六足机器人的腿部是参照蚂蚁的腿部结构进行设计,并对其进行建模分析.整个系统在硬件上选取了Arduino、无线模块、显示模块、舵机控制板等;软件上选用Qt Creator在上位机上编程,用于远程遥控六足机器人及观察其行走状态变化;在步态控制上采用了三角步态控制算法.通过设计机械结构、建模分析以及硬件、软件和算法的结合,实现了六足仿生机器人的稳定行走.     

High-speed dynamic gait generation for limit cycle walkers based on forward-tilting impact posture

This paper proposes a novel method for generating a dynamic gait based on anterior-posterior asymmetric impact posture tilting the robot’s center of mass forwards. The primary purpose of this method is to make the impact posture become asymmetrical by actuating the robot’s telescopic legs to easily overcome the potential barrier at mid-stance, accordingly restoring the mechanical energy. First, we introduce a planar rimless wheel model with telescopic legs, and investigate the validity of the stance-leg extension control. The basic properties and efficiency of the generated gait are also numerically analyzed. Second, we extend the method to a planar telescopic-legged biped model, and investigate the validity through numerical simulations. We also discuss the role of asymmetric shape of human foot through efficiency analysis from the point of view of the brake effect, taking the ankle-joint actuation into account.     

Walk control of segmented multi-legged robot based on integrative control of legs and 2-DoF active intersegment joints

This paper proposes a novel walk control method for multi-legged robots which have segmented bodies like a millipede. The segment of the robot which is addressed in this paper has a pair of legs which has 3 degrees of freedom (DoF) and 2-DoF active joint which connects the adjacent segmented body. The legs are controlled based on a decentralised control method, follow-the-contact point gait control, in which the legs contact on the contact-points where the forward legs have done. The joints between segments are controlled so as to make the bodies follow a desired trajectory. The legs and the intersegment joints are controlled with integrative and consistent manner thanks to local coordinate systems defined on each contact point. Finally, the proposed control method is verified via a robot simulator with physics engine.     

仿蟹机器人交错等相位波形步态研究

在观察生物螃蟹的基础上,研制了仿蟹机器人实验样机.利用事件序列法对生物螃蟹的行走过程进行了分析,提出了仿蟹机器人交错等相位波形步态.交错等相位波形步态以2n足波形步态为基础,将8个步行足交错分为两组,通过调节组内先后摆动的两步行足间的相位因子,使同组的各步行足相位平均分配在一个步态周期内,以减小机体能量损耗.仿蟹机器人...     

Minimalistic control of biped walking in rough terrain

Toward our comprehensive understanding of legged locomotion in animals and machines, the compass gait model has been intensively studied for a systematic investigation of complex biped locomotion dynamics. While most of the previous studies focused only on the locomotion on flat surfaces, in this article, we tackle with the problem of bipedal locomotion in rough terrains by using a minimalistic control architecture for the compass gait walking model. This controller utilizes an open-loop sinusoidal oscillation of hip motor, which induces basic walking stability without sensory feedback. A set of simulation analyses show that the underlying mechanism lies in the “phase locking” mechanism that compensates phase delays between mechanical dynamics and the open-loop motor oscillation resulting in a relatively large basin of attraction in dynamic bipedal walking. By exploiting this mechanism, we also explain how the basin of attraction can be controlled by manipulating the parameters of oscillator not only on a flat terrain but also in various inclined slopes. Based on the simulation analysis, the proposed controller is implemented in a real-world robotic platform to confirm the plausibility of the approach. In addition, by using these basic principles of self-stability and gait variability, we demonstrate how the proposed controller can be extended with a simple sensory feedback such that the robot is able to control gait patterns autonomously for traversing a rough terrain.     

A control structure for the locomotion of a legged robot ondifficult terrain

The control of a legged robot walking on difficult terrain demands the development of efficient and reliable algorithms to coordinate the movement of multiple legs according to a diversity of requirements. We present a control structure, implemented on a six-legged robot, in which the aspects of stability, mobility, ground accommodation, gait generation, and robot heading are integrated in a coherent and simple way