A review of heavy-duty legged robots

Heavy-duty legged robots have been regarded as one of the important developments in the field of legged robots because of their high payload-total mass ratio, terrain adaptability, and multitasking. The problems associated with the development and use of heavy-duty legged robots have motivated researchers to conduct many important studies, covering topics related to the mechanical structure, force distribution, control strategy, energy efficiency, etc. Overall, heavy-duty legged robots have three main characteristics: greater body masses, larger body sizes, and higher payload-total mass ratios. Thus, various heavy-duty legged robots and their performances are reviewed here. This review presents the current developments with regard to heavy-duty legged robots. Also, the main characteristics of high-performance heavy-duty legged robots are determined and conclusions are drawn. Furthermore, the current research of key techniques of heavy-duty legged robots, including the mechanical structure, force distribution, control method, and power source, is described. To assess the transportation capacity of heavy-duty legged robots, performance evaluation parameters are proposed. Finally, problems that need further research are addressed.     

Ground substrates classification and adaptive walking through interaction dynamics for legged robots

Adaptive locomotion in different types of surfaces is of critical importance for legged robots.The knowledge of various ground substrates,especially some geological properties,plays an essential role in ensuring the legged robots’safety.In this paper,the interaction between the robots and the environments is investigated through interaction dynamics with the closed-loop system model,the compliant contact model,and the friction model,which unveil the influence of environment’s geological characteristics for legged robots’locomotion.The proposed method to classify substrates is based on the interaction dynamics and the sensory-motor coordination.The foot contact forces,joint position errors,and joint motor currents,which reflect body dynamics,are measured as the sensing variables.We train and classify the features extracted from the raw data with a multilevel weighted k-Nearest Neighbor(kNN) algorithm.According to the interaction dynamics,the strategy of adaptive walking is developed by adjusting the touchdown angles and foot trajectories while lifting up and dropping down the foot.Experiments are conducted on five different substrates with quadruped robot FROG-I.The comparison with other classification methods and adaptive walking between different substrates demonstrate the effectiveness of our approach.     

多关节机器人的自适应阻抗控制研究

为了对动车组侧窗玻璃安装机器人末端接触力进行控制研究,在阻抗控制的基础上,提出了一种多关节机器人自适应阻抗控制算法,该算法能实现机器人末端接触力准确跟踪期望力。以PUMA560机器人前三关节为对象在接触空间进行仿真研究,仿真结果表明,基于自适应阻抗控制方法能很好地对动车组侧窗玻璃安装机器人的位置和力进行跟踪。     

基于虚拟运动神经网络的六足机器人行为控制

为了使腿足机器人适应性和行为能力提高,提出基于虚拟运动神经网络的六足机器人行为控制策略. 通过模拟生物神经?肌肉控制机制构建的腿足机器人行为运动神经控制架构,能够处理外部环境信息,调节神经信号强度,获得类似动物的信号处理和行为反应机制,实现机器人对环境的快速响应、机身与腿部的自适应调节. 实验结果表明,所提架构能够随环境变化自动调节神经信号强度,验证了机器人极强的环境自适应性和行为多样性.     

机器人力控制综述

针对机器人作业时新的力控制要求,本文综述了现有的传统控制策略与智能控制策略.首先介绍传统力控制策略中的阻抗控制、位/力混合控制与自适应控制,其次介绍智能控制策略中的模糊控制、神经网络与优化控制.同时,对各控制算法基本原理进行深入分析,列举各算法的应用成果,并对未来力控制研究提出了展望.     

手臂康复机器人阻抗控制实验研究

手臂康复机器人是一种用于因偏瘫、外伤等造成手臂运动障碍患者的辅助康复训练机器人,考虑到患者训练的安全性和舒适性,需要机器人有一定的柔顺性.对此,在控制模型中引入阻抗控制.建立并分析了手臂肌力训练模式目标阻抗控制模型,在此基础上进行了简化.建立了基于dSPACE实时仿真平台的半物理仿真实验系统,以回转关节为例,给出了不同控制参数下的力与关节角度曲线,分析了控制参数对控制效果的影响,结果表明控制模型的可行性和有效性.     

一种基于力觉的机器人对孔装配方法

针对带电作业机器人更换金属氧化物避雷器过程中精确对孔装配的需要,提出一种基于力觉自主控制机器人在绝缘横担上寻孔并装配避雷器的方法。控制过程中针对避雷器下端头的特殊形状以及电杆绝缘横担的作业场景,在机器人末端加装力觉传感器,将转换后的力作为被控量,设计一种由触担、寻孔、渐入和插入四个过程构成的对孔装配策略,使机器人能够将避雷器的下端头准确地插入横担上的安装孔。试验结果验证了所提方法的有效性。     

一种基于力觉的机器人对孔装配方法

针对带电作业机器人更换金属氧化物避雷器过程中精确对孔装配的需要,提出一种基于力觉自主控制机器人在绝缘横担上寻孔并装配避雷器的方法。控制过程中针对避雷器下端头的特殊形状以及电杆绝缘横担的作业场景,在机器人末端加装力觉传感器,将转换后的力作为被控量,设计一种由触担、寻孔、渐入和插入四个过程构成的对孔装配策略,使机器人能够将避雷器的下端头准确地插入横担上的安装孔。试验结果验证了所提方法的有效性。     

磁流变阻尼器无模型前馈/反馈复合控制

为了实现磁流变（MR）阻尼器高可靠性和高精度的阻尼力跟踪控制,克服基于逆向动力学模型的前馈控制易受模型误差和外界干扰影响的问题,提出结构简单、实现容易的无模型前馈/反馈复合控制(MFFFFBC)方法. 利用磁流变液减振器阻尼力连续可调的特点,将磁流变阻尼器控制器前一时刻的控制量进行采样保持作为前馈控制器,以避免建立复杂的磁流变阻尼器逆向动力学模型. 利用期望阻尼力与实际阻尼力之间的跟踪误差信号构建反馈控制器对前馈控制量进行实时修正,利用饱和函数对控制电压进行限幅,以避免控制电压高频振荡. 试验结果表明,在MFFFFBC控制下输出电压连续光滑变化,与经典的基于Heaviside阶跃函数的控制相比,采用本研究所提出的控制策略,黏性阻尼力和摩擦阻尼力的跟踪误差分别减小了21.98%和26.64%.     

绳索牵引并联康复机器人的建模与控制

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了一种绳索牵引并联康复机器人.在对机器人进行运动学和静力学分析的基础上,利用牛顿-欧拉法建立了机器人的动力学方程.在给出力分解模型的基础上,提出了一种力/位并行控制策略:位置环和力环分别用于实现患者骨盆运动轨迹和绳索张力大小的控制.最后对机器人控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明,该控制策略不仅能满足对轨迹跟踪要求,而且具有很好的鲁棒性.     

不确定性扰动下双足机器人动态步行的自适应鲁棒控制

针对不确定性扰动下双足机器人动态步行的鲁棒控制问题,建立不确定性扰动下双足机器人的动力学模型. 将特定庞卡莱映射方法拓展到不确定性扰动下双足机器人的稳定性分析,将机器人随机系统的稳定性分析转化为确定性周期系统的稳定性分析. 基于滑模控制方法,提出自适应滑模控制器. 与以往滑模控制器相比,该控制器无需外部扰动的准确幅值信息. 考虑到双足机器人在实际应用中常会遭遇非平整路面,进一步将该自适应滑模控制器拓展到非平整路面的鲁棒控制：提出碰撞速度不变性条件,基于落地速度控制进行在线轨迹规划,基于自适应滑模控制器对机器人进行反馈控制. 基于三维（3-D）五杆双足机器人进行仿真实验,结果表明,所设计的控制器能有效实现机器人在不确定性扰动下的鲁棒控制.     

异构型遥操作系统的定位与接触控制研究

与同构型机器人遥操作系统不同,在异构型机器人遥操作系统中,操作者往往对目标物的精确定位和接触力的判断不足,当从机器人接触到外部环境时缺乏良好的临场感,导致操作精度不足。针对此类问题,该文提出了一种基于机器人工作空间转换与直接力反馈结构相结合的目标物定位与接触遥操作控制方法。该方法首先将机器人的关节空间转换到工作空间,再对异构型主从机器人不同的工作空间进行映射匹配,然后在直接力反馈式的遥操作结构下与力传感器共同作用,并辅以摄像机,使得操作者可以精确地操作远端环境中的机器人,从而准确地接触到目标物及获取目标物的位置,进一步准确判断从机器人在外部环境中所接触到的物体属性。该方法借助力反馈进行目标物定位与物体属性判断,较之复杂的机器人视觉标定方法更加简单易于操作,其有效性也在搭建的异构型机器人遥操作实验平台上得到了验证。     

基于自抗干扰的装配机器人阻抗控制技术

为了提升机器人装配作业的精确性和柔顺性,提出改进型自抗扰阻抗控制策略.该策略通过自抗扰控制器生成新期望力来调整机器人末端工具坐标系的位置,实现精确的力跟踪.通过扰动观测器观测环境信息并补偿控制系统的期望力,提高控制系统对环境参数的适应性.引入阻抗模型改进扰动观测器,使观测器的响应速度增大,力跟踪的精度提高.基于六自由度机器人的精密轴孔装配实验结果表明,与传统阻抗控制相比,基于自抗扰控制（ADRC）的阻抗控制能够在较小的接触力误差下完成装配,且基于改进型自抗扰控制的阻抗控制的力平均误差比改进前自抗扰控制减小12.0%～28.2%.     

漂浮基空间机器人姿态与末端爪手协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人系统的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人的运动Jacobi关系及系统动力学方程。以此为基础,借助于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂末端爪手协调运动的滑模控制方案。此方案可有效地减少控制系统的在线计算时间,更能满足空间机器人这一时变系统控制的实时、在线要求。数值仿真结果证实了该控制方案的有效性。     

基于自适应反推补偿的PMLSM位置跟踪控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统,在分析影响伺服跟踪精度因素的基础上,采用反推控制策略进行有效补偿控制。考虑参数变化、外部负载扰动等不确定因素对系统伺服性能的影响,从位置跟踪误差开始设计虚拟控制器,然后选择虚拟误差、位置误差构成新的子系统,设计新的虚拟控制器,通过递推依次对得到的虚拟控制器逐步修正算法,最终设计出实际控制器。仿真结果表明,和PI控制相比,该控制器明显降低不确定因素对系统性能的影响,能很好地跟踪周期性参考指令,削弱了时变外力扰动对系统性能的影响。     

力觉临场感遥操作机器人(4):系统的操作性能评价

力觉临场感遥操作机器人系统是一种典型的人-机-环交互系统,临场感是遥操作的核心.如何评价力觉临场感遥操作机器人系统的操作性能即临场感程度,目前大多采用基于人机工效学的主观评价分析方法.通过建立力觉临场感遥操作机器人系统的二端口网络模型,对操作者在遥操作过程的感知和控制行为进行了分析,给出了虚拟阻抗的定义,以此为基础提出了可定量评价系统操作性能即力觉临场感程度的阻抗比较法.利用阻抗比较方法对现有的4种不同反馈控制结构遥操作机器人的操作性能作了分析与评价.     

基于Bezier曲线的四足机器人Trot步态优化

为实现四足机器人的稳定行走,需要对其足端轨迹进行合理规划。首先,以Bezier曲线为基础,规划四足机器人的足端轨迹,并依据足端轨迹约束条件对足端轨迹进行优化;其次,通过多组对比实验确定出最优的一组控制点坐标,设计四足机器人的足端轨迹,并找到最佳的步长和抬腿高度组合;最后,基于Matlab/Simulink搭建仿真平台进行仿真实验,与应用复合摆线规划的足端轨迹在足端落地时的冲击力、质心的波动范围、机体的偏航距离、前进距离4个方面进行比较,分析四足机器人的稳定性。仿真结果表明：采用Bezier曲线规划的足端轨迹,提高了机器人运动的稳定性。     

六自由度装配机器人的动态柔顺性控制

为了提升工业机器人装配的精确性与柔顺性,提出适合工业六自由度装配机器人的动态柔顺性控制策略,使之不仅能够实现快速高精度的参考轨迹跟踪,而且能够动态地切换到工件装配时的接触力控制,并能够保持良好的柔顺性接触力.构建机器人关节空间的标准动力学模型,并变换到末端执行器操作空间,获得操作空间的动态特性.给出该控制策略,主要包含参考轨迹给定模块、内环的轨迹跟踪控制器以及动力学参数辨识模块等.采用滑模算法设计轨迹跟踪控制器;采用阻抗滤波器,生成装配作业时末端执行器的期望运动轨迹;采用sigmoid函数设计轨迹跟踪与接触力控制的判别模块;采用最小二乘算法,设计动力学参数辨识模块.采用Lyapunov函数证明了该控制策略的大范围渐进稳定性和收敛性.基于装配实验台上进行现场装配和动态轨迹跟踪的对比性仿真实验研究.仿真实验结果表明：与典型的比例微分（PD）控制相比,动态柔顺性控制能够在较宽广的范围内实现更精确的空间轨迹跟踪和接触力柔性控制,平均相对误差可以有效地控制在-4%到+4%之内.     

Task space control of free-floating space robots using constrained adaptive RBF-NTSM

Trajectory tracking control of space robots in task space is of great importance to space missions,which require on-orbit manipulations.This paper focuses on position and attitude tracking control of a free-floating space robot in task space.Since neither the nonlinear terms and parametric uncertainties of the dynamic model,nor the external disturbances are known,an adaptive radial basis function network based nonsingular terminal sliding mode(RBF-NTSM)control method is presented.The proposed algorithm combines the nonlinear sliding manifold with the radial basis function to improve control performance.Moreover,in order to account for actuator physical constraints,a constrained adaptive RBF-NTSM,which employs a RBF network to compensate for the limited input is developed.The adaptive updating laws acquired by Lyapunov approach guarantee the global stability of the control system and suppress chattering problems.Two examples are provided using a six-link free-floating space robot.Simulation results clearly demonstrate that the proposed constrained adaptive RBF-NTSM control method performs high precision task based on incomplete dynamic model of the space robots.In addition,the control errors converge faster and the chattering is eliminated comparing to traditional sliding mode control.     

Motion design of a hybrid wheeled/legged robot for lunar exploration

The robot consists of a quadruped mechanism and two active dual-wheel casters possesses the advantages of wheeled and legged mechanism, and can quickly move on the relatively plane ground with the wheeled mechanism, and can walk on the extremely uneven terrain with the legged mechanism. The effectiveness of the motion design of the hybrid robot is iHustrated by simulation results.