电动力液压驱动四足双臂机器人的设计与实现

针对定基座机器人在复杂环境下作业能力不足的问题,研制出电动力液压四足双臂机器人,将浮动基座与双臂系统的优势有机结合,能够代替人员完成复杂环境下应急处置、工程作业等任务。详细阐述了四足双臂机器人的机械结构、机载电液动力系统、分布式控制系统以及仿真与操作训练平台的设计与实现。提出基于全身虚拟模型的足底力分配方法与足臂协调运动规划方法,实现了躯干浮动基座与双臂系统的联动,大大提升了机器人的作业能力和效率。通过搭建的仿真与操作训练平台完成单臂作业以及双臂协同作业的仿真,验证了所提出控制方法的有效性,并对机器人操作员进行操作训练。在实际样机实验中,测试了单臂抓取以及双臂协同抓取的能力,证明了四足双臂机器人能够满足复杂环境下移动作业的需求。     

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.     

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.     

液压驱动单元基于力的阻抗控制方法控制参数灵敏度分析

液压驱动型高性能足式仿生机器人具有很好的适应能力,为尽可能地避免其足地接触过程中的冲击和碰撞,足式机器人的关节应具有一定的柔顺性,而基于力的阻抗控制是一种在液压驱动型高性能足式仿生机器人腿部关节中常用的主动柔顺控制方法.针对驱动足式机器人关节运动的液压驱动单元(HDU),研究基于力的阻抗控制方法在HDU上的应用,推导其状态空间表达,并在HDU性能测试平台上对阻抗控制效果进行实验验证.针对影响阻抗控制效果的4个主要控制参数,对比分析不同灵敏度分析方法的优劣势,最终确定使用相对简单求解过程的一阶矩阵灵敏度分析方法,对4个参数在4种不同工况下进行动态灵敏度分析以及定量灵敏度分析,并进行实验验证.所得基于力的阻抗控制参数灵敏度分析结论可作为不同工况下控制参数优化的理论参考和实验基础.     

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。     

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...     

四足机器人对角小跑步态非线性控制方法仿真

针对现有的四足机器人对角小跑步态控制方法存在的机器人运动速度较慢、灵活性较差等问题,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人对角小跑步态非线性控制方法。方法需要构建一个四足机器人模型,并在该模型的工作范围内建立一个平面直角坐标系,在不考虑机器人足端车轮滑动的情况下,将驱动四足机器人的运动方程转换成矩阵的形式,寻找有界输入平动线速度和转动角速度,使矩阵在其控制下产生的误差可以在大范围内保持稳定。求解该四足机器人在工作平面坐标系中姿态误差的微分方程,构造该微分方程的Lyapunov函数并对其求导,根据求导结果设计一个四足机器人驱动控制器,通过该驱动控制器实现对四足机器人的对角小跑步态非线性控制。仿真结果表明,所提方法能够在快速、灵活的情况下实现对四足机器人对角小跑步态的非线性控制,且鲁棒性较高,能够满足用户需求。     

一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法

传统以刚体动力学为基础的四足机器人运动控制方法对地形误差敏感,无法适应粗糙复杂地形,因此提出一种基于虚拟模型的运动控制方法用于实现四足机器人在粗糙地形下的行走.建立了以足底接触力为约束的高层步行任务和底层运动控制的映射关系.采用弹簧-阻尼-质量虚拟模型对四足机器人进行建模,将四足机器人的步行任务用一系列作用于机体质心的虚拟力去表征,基于各足等效力矩平衡的原则,将笛卡儿空间的虚拟力矢量分配到各支撑足,利用雅可比矩阵把足端力矢量转换为机器人关节空间的关节转矩.针对崎岖的空间3维粗糙地形,建立了机器人躯干姿态与地形的关联参数,通过调整躯干姿态有效扩大了机器人对粗糙地形的适应程度.运动仿真结果表明,机器人可以实现粗糙地形下稳定连续的行走,足底接触力平稳、无冲击,证明了该柔顺步态生成方法的合理性和有效性.     

液压驱动伺服机器人的模糊滑模控制研究

针对液压驱动四足机器人伺服系统非线性和不确定性严重的问题,提出了一种快速响应、鲁棒性好、控制精度高的模糊滑模控制器,并进行了仿真研究.首先,建立了液压驱动伺服机器人的液压动力机构非线性数学模型,利用Lyapunov方法设计了滑模控制器;其次,构造了一个模糊边界层宽度调节器,削弱滑模控制的抖振;最后,分析了参考力、液压参数、供油压力及负载刚度变化对系统输出的影响.仿真结果表明,该控制器对液压伺服力系统非线性和参数变化具有较好的控制效果.该方法用于四足液压驱动伺服机器人的控制是可行的、有效的.     

四足机器人对角小跑步态全方位移动控制方法及其实现

为实现四足机器人在平面和斜坡上的全方位移动,提出了基于对角小跑步态的运动控制方法.基于所推导的四足机器人运动学方程和仿生步态规划方法,将机器人在平面内的运动解耦为前向运动、侧向运动和自转运动3部分以降低运动控制的复杂度.首先利用各部分振荡幅度来实现机器人在3个方向上的运动速度控制,然后利用将各部分运动合成实现四足机器人在水平面内的全方位移动控制;基于平面的全方位移动控制方法,对足端位置进行映射,实现了机器人在斜坡上的对角小跑步态全方位运动控制.最后,分别在平面和斜坡上进行了仿真和实际物理样机实验.步程计数据、仿真数据与物理样机实验结果之间的差别在可接受范围之内,证实了该方法有效地实现了机器人的速度控制和运动解耦,验证了所提出方法的正确性和有效性.     

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。     

液压四足机器人的实时分散解耦控制

针对液压驱动四足机器人单腿协调性难以保证的问题,开发了一种实时分散解耦控制系统:基于PC-Based控制系统架构,在RTX环境下模块化了实时控制子任务,并对多任务的处理进行了实时调度,搭建出了机器人的实时分散控制系统框架;针对单腿系统设计了基于PID神经元网络的广义解耦控制算法,并将其嵌入到整体程序框架中,实现了多腿联动的分散解耦控制;物理样机实验表明开发的控制系统能够满足分散解耦控制算法的实时性要求,提高了四足机器人运动的协调性,进而保证其连续稳定地行走,具有一定的独创性与实用价值。     

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。     

仿海蟹机器人浮游步态动力学建模与运动控制

为实现足桨耦合推进仿海蟹机器人在未知海流扰动作用下对目标点的跟踪控制,对仿海蟹机器人浮游步态的动力学和运动控制进行研究.综合考虑重力、浮力、游泳足拍动产生的推力以及水动力的影响,建立了仿海蟹机器人水下复杂环境的动力学模型.在此基础上,设计了一种基于指数趋近律的滑模变结构控制器,将游泳足上下拍翼运动和摇翼运动的相位差作为被控量,对机器人的转艏角速率进行控制.通过李亚普诺夫直接法,证明该系统可实现全局渐近稳定.最后进行了单一目标点和多目标点跟踪运动仿真和实验,结果表明:该方法可以使机器人具有良好的目标点跟踪能力,并对系统动力学参数不确定性及外界扰动具有较高鲁棒性.     

基于改进蚁群算法的四足机器人步态规划

四足机器人关节众多、运动方式复杂,步态规划是四足机器人运动控制的基础。传统的算法多基于仿生原理,缺乏广泛适应性。 在建立运动学方程的基础上,提出了一种基于改进蚁群算法的步态规划算法。该算法利用了四足机器人4条腿运动的线性无关性,将步态规划问题转换为在四维空间里求取最长路径问题。仿真结果表明,该算法得出了满足约束条件的所有步态,最后通过机器人样机检验,验证了该算法求取结果的有效性和合理性。     

四足机器人动步态下实时足底力优化方法的设计与验证

为实现四足机器人在动步态下的稳定行走及最优足底力分配,提出了融合全尺寸虚拟模型和动力学模型的四足机器人控制框架.在支撑相中,将躯干质心虚拟力与足底力分配问题转化成二次型优化问题,通过Gurobi库求最优值,实现实时的最优足底力分配.在摆动相中,融合动力学前馈和虚拟模型控制方法实现了平滑的轨迹追踪.通过Webots动力学仿真,将该方法与基本的位置阻抗控制方法在四足机器人平台上进行了对比分析,结果证明该方法能减小大约30%的足地交互冲击力,同时有效提高了机器人在运动中的稳定性.     

一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人

针对现有基于串联式机械腿结构的四足机器人无法同时满足承载能力大、环境适应性强、运动速度快等要求的问题,提出了一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人结构原理,集成了轮式运动和足式运动各自的优势.在对机器人并联式轮腿进行运动学和动力学分析基础上,建立了单腿动力学模型和机器人整体运动学模型,提出了机器人机身姿态调整算法,有效提高了机器人运动过程中姿态的平稳性.仿真与实验验证了所提出的轮足复合式机器人的可行性和轮式运动时机器人机身姿态调整策略的有效性.     

基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制

虽然非线性模型控制法可以很好地解决机器人柔顺性力接触问题,但也增加了复杂机器人高非线性动态建模控制的复杂度.对此,本文提出了一种基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制.首先,给出了虚拟分解控制的数学基础.然后,将液压足式机器人单腿与无质量虚拟机械手串联成一个合成机械手,利用虚拟分解控制方法将合成机械手分解成由连杆和关节被控体组成的子系统链,运用虚拟分解控制的虚拟功率流和虚拟稳定性特性分析各子系统和无质量虚拟机械手的运动学、动力学、控制及虚拟稳定性,同时分析合成机械手的环境交互动态稳定性,接着给出一种既能保证系统稳定性又能实现理想阻抗性能的系统控制律增益.最后,将其运用到液压足式机器人单腿系统中进行验证,实验结果证明该方法不仅可以有效地减小机器人接触力,还能很好地跟踪目标阻抗.     

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。     

动作捕捉技术在四足机器人研究中的应用

四足机器人对于复杂地形有良好适应性,比轮式机器人、履带式机器人有更强的探索能力,具有很高的实用价值.在四足机器人研究的各个阶段和不同方向,光学动作捕捉系统作为一种测量设备被广泛使用.简要介绍四足机器人的关键技术,并说明了光学动作捕捉系统在各研究中的应用.