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.     

平面半被动双足机器人步态稳定性分析

建立了以踝关节脉冲推力为动力源的平面半被动双足机器人模型,并推荐利用拉格朗日第二类方程得到机器人的动力学方程。为判断模型的稳定性,采用庞加莱映射方法分析了半被动双足机器人行走的固定点及其稳定性,并讨论了模型稳定行走的动力学附加条件。分析了模型中各机械参数对模型稳定性的影响。最后,在脉冲推力作用时添加扰动模型仍能稳定行走,证明模型对脉冲干扰具有鲁棒性。     

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.     

双足被动行走模型局部稳定性分析

为了实现双足被动机器人进行稳定周期行走,给出了求解双足被动模型不动点的方法,并详细分析了被动行走模型各机械参数和斜面坡度对稳定不动点存在的影响,并分析各参数在给定初始条件下,对模型收敛到稳定周期运动状态速度的影响以及各参数对模型稳定不动点状态变化的影响.结果表明:较小的腿质量(m∈[0.3kg,30kg]),较高的质心位置(Kc∈[0.0304,0.6240]),合适的足半径(Kr=0.16),较大的转动惯量(KJ=0.128)以及合适的斜面坡度(β∈[0.02rad,0.1rad]有利于提高被动机器人的局部稳定性.     

滚动优化和虚拟被动步行的双足机器人实时控制

针对步行双足机器人实时步态规划问题,提出了将滚动优化与虚拟被动步行相结合的实时控制策略.分析了虚拟重力条件下七连杆机器人机械能的变化特点,设计并确定了满足该变化特点的各关节输入转矩,通过优化调整各连杆虚拟倾角、期望速度和步态周期终点系统状态参数,使得摆脚落地后下一周期起始时刻机器人状态与期望值偏差最小.与单纯采用滚动优化的实时步态规划方法相比,该方法优化参数少,预测时域长度可变,保证了下一周期起始时刻机器人步态的合理性和最优性.仿真分析表明,该方法实现了包含足部转动的动态步行,地面环境不变条件下多周期运动起始点满足周期稳定性条件.     

面向球型障碍物的六足机器人越障步态研究

以多自由度六足机器人为研究对象,针对球型障碍物的模型特点,研究其爬越球型障碍物时的行走步态,以找到一种适合的越障步态并分析越障时的稳定性。在仿真软件中建立虚拟样机模型,动态模拟对球型障碍物的越障运动。模拟结果表明：在该行走步态下控制的六足机器人能平稳地爬越球型障碍物。     

基于能量和角度不变相结合的双足机器人控制

为了提高欠驱动双足行走机器人被动行走步态的稳定性,扩大极限环收敛域及增强对干扰的抑制力,提出了一种角度不变和能量控制相结合的方法.通过角度不变控制使机器在不同倾斜角度的地面产生稳定步态;通过能量控制方法扩大机器人行走步态极限环的收敛域,并采用一个可调整的非线性函数在线调整能量控制器的增益.通过仿真曲线分析总结了当斜坡角度变化时极限环、步态曲线和能量曲线的变化规律.仿真结果表明,该方法既能扩大极限环的收敛域,又能增加系统对地面斜坡变化的鲁棒性.     

双足舞蹈机器人步态规划

以双足舞蹈机器人为对象,建立系统的多自由度运动学模型,在此基础上开展舞蹈机器人正运动学和逆运动学分析,根据行走步长、步宽、步行周期等运动参数求解机器人各关节角度;引入三维倒立摆模型,结合零力矩点(Zero-Moment-Point,ZMP)稳定判据,对舞蹈机器人进行步态规划稳定性分析;最后,结合对舞蹈机器人的行走步态进行了仿真分析,得到了各个关节的角度值,可作为舞蹈机器人的输入控制参数.     

六足机器人横向行走步态研究

以一种新型的多自由度六足机器人机构为对象,研究其横向行走步态,规划一种横向行走的三角步态,并完成了足端轨迹规划和稳定性分析.最后采用Pro/E和ADAMS等软件相结合的方式对六足机器人的样机模型进行运动学仿真与分析,结果证实了该横向行走步态的可行性,为接下来的物理样机实验提供了依据.     

一种新型仿人机器人的设计研究

设计研究了一种基于直流电机为驱动元件的新型仿人步行机器人.主要实现了以并联平行四杆机构为腿部驱动构件的机械结构,并加以限位开关作为步态坐标反馈.通过调节PWM波形来控制直流电机的转速转矩,延时时间及复位开关来控制步距,解决了步行过程中出现的问题,提高了行走的稳定性.对原理样机进行试验,结果表明该仿人机器人运行良好,步态平稳,精度较高.     

Simulation Platform of Underwater Quadruped Walking Robot Based on MotionGenesis Kane 5.3 and Central Pattern Generator

It will still in lack of a simulation platform used to learn the walking of underwater quadruped walking robot. In order to alleviate this shortage,a simulation platform for the underwater quadruped walking robot based on Kane dynamic model and CPG-based controller is constructed. The Kane dynamic model of the underwater quadruped walking robot is processed with a commercial package MotionGenesis Kane 5. 3. The forces between the feet and ground are represented as a spring and damper. The relation between coefficients of spring and damper and stability of underwater quadruped walking robot in the stationary state is studied. The CPG-based controller consisted of Central Pattern Generator（ CPG） and PD controller is presented,which can be used to control walking of the underwater quadruped walking robot. The relation between CPG parameters and walking speed of underwater quadruped walking robot is investigated. The relation between coefficients of spring and damper and walking speed of underwater quadruped walking robot is studied. The results show that the simulation platform can imitate the stable walking of the underwater quadruped walking robot.     

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.     

Stable walking of quadruped robot on unknown rough terrain

Quadruped robot is considered to be the most practical locomotion machine to negotiate uneven terrain, and shows superb stability during static walking. To improve the ability to go over rough terrain, this paper is focused on the stable walking and balance control of quadruped robots. 24 kinds of walking gaits are analyzed in order to derive the most stable and smoothest walking gait. Considering the inefficiency to model a terrain by its specified appearance, a uniform terrain model is established and by means of kinematic analysis, a method to adjust the body posture and center of gravity (COG) height is presented. Simulations demonstrate the effectiveness of the proposed method and the improvement of the adaptation of quadruped robots on rough terrain.     

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.     

基于模型预测控制的仿人机器人实时步态优化

为了提高仿人机器人在行走过程中的抗干扰能力,提出基于模型预测控制（MPC）的步态生成与优化策略. 基于飞轮倒立摆模型（IPFM）,建立系统状态空间模型. 给定落脚点参考位置和躯干旋转参考角度,提出包含质心（CoM）轨迹生成、落脚点调整和躯干旋转角度优化的多目标惩罚函数;考虑足部支撑范围、落脚点变动范围等可行性约束,建立二次规划（QP）求解模型. 利用开源求解器,实现最优质心轨迹、足部落脚点和躯干旋转角度的在线生成. 通过仿真验证了该算法的可行性和有效性. 结果表明,每个控制循环在2 ms内完成,满足实时控制需求;该方法能够利用躯干旋转以实现更大范围变步行参数的稳定行走;与只调整落脚点相比,机器人对各个方向外力的抵抗能力都有提高.