小型仿人机器人步行稳定控制方法研究

针对小型仿人机器人足部异常着地姿态对步行稳定性的重要影响,提出了一种基于力分布的快速着地柔顺控制方法,使机器人能够根据着地时地面反作用力的分布情况,快速判断足部着地姿态,通过实时调节踝关节实现机器人的快速着地柔顺控制。该方法结合基于零力矩点（Zero Moment Point,ZMP）和身体姿态的平衡控制方法,在运动调节功能的协调下,形成了一个较为完备的小型仿人机器人实时稳定控制体系。     

四足机器人Trot步态规划与仿真分析

为了提高四足机器人对角步态的稳定性,缓解对角步态摆动相两条腿不能同时着地的问题,从足端轨迹优化、足端初始位置选择这两方面进行步态规划.通过D-H法建立四足机器人运动学模型,几何法求运动学逆解.基于零冲击原则优化足端轨迹函数,选取8种不同的初始足端位置进行仿真.从足端冲击力、机体位移、俯仰角、滚动角、偏航角的变化等方面分...     

多足机器人规则步态实现方法研究

步态规划在移动机器人运动学研究中具有基础和重要的作用,本文首先对四足机器人的着地点进行设计,并分别对各腿的摆动顺序进行几何规划,利用虚拟样机,对四足机器人的单足轨迹进行设计,使得机体能够维持重心稳定并向前运动;其次,本文构建了四足机器人支撑机构的运动学逆解模型,排除奇异解,基于支撑机构的数学建模与求解对四足机器人的前行运动进行了规划;最后,实验结果表明,规则步态规划方法可实现四足机器人稳定可靠地运动.     

基于ZMP的双足机器人稳定性分析

引入双足机器人研究中一个重要物理量——零力矩点ZMP（zero Moment Point）,研究其计算和测量方法,利用其分析双足机器人在单腿和双腿支撑时的作用范围,最后在二维和三维平面内对机器人的ZMP计算进行探讨,为稳定步态的设计做了理论铺垫。     

基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人轨迹规划与步态分析

本文提出一种基于2-SPR/RUPR并联机构的四足步行机器人.用改进复合曲线法规划了机械腿足端行走点轨迹.在四足步行机器人的足端行走点沿前进方向的加速度曲线为正弦函数,沿竖直方向的加速度曲线为分段函数的情形下,通过对前进方向、竖直方向加速度曲线两次积分得到足端轨迹曲线.由足端轨迹曲线变化规律可以得到其运动过程无突变点,足端可以实现无冲击抬腿与着地.仿真实验表明足端速度与加速度曲线与理论曲线一致,验证了理论计算的正确性.使用ZMP方法,通过对比分析机器人在运动过程中的重心调整量以及稳定裕度值得到最优步态.该四足步行机器人具有运动平稳且灵活的特性,适用于田垄等崎岖路面上需要大的移动步幅来运输重物的应用场合.     

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量（DCM）的在线步态规划方法. 将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM）,根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点（ZMP）约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩. 通过仿真验证以上算法,仿真结果表明：与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.     

基于多虚拟元件的直腿四足机器人Trot步态控制

为了提高四足机器人在未知复杂地形下的快速平稳通过能力,基于直腿四足机器人模型对机器人着地相控制方法进行了研究。首先,针对在复杂路面下的运动工况,建立了直腿四足机器人的运动学和动力学模型。其次,基于弹簧负载倒立摆动力学特性,在机身多个自由度上引入弹性阻尼等虚拟元件,在着地相过程中实现了对包括前进等在内的多个机身运动自由度的控制。最后,在虚拟样机仿真中实现了机器人在平坦路面和复杂路面下的运动,验证了控制方法的正确性和有效性。通过对仿真结果的分析,总结出两种控制策略在运动平稳性、能耗水平和耦合运动等方面的优劣,为提高机器人在不同运行工况下的综合运动性能奠定了基础。     

仿生六足机器人的设计研究

对六足机器人的全方位步态进行了探讨,分析其机身的稳定性,爬坡能力、越沟能力等运动性能.采用的曲柄滑块机构,使其足部落足点的轨迹离散化,使其对地面具有良好的选择性.     

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。     

零力矩点与两足机器人动态行走稳定性的关系

讨论了零力矩点（ＺＭＰ）与两足机器人动态行走稳定性的关系，证明了ＺＭＰ出支撑面时若踝关节取高增益ＰＤ控制则支撑脚无法实现稳定支撑．本文最后给出了一种ＺＭＰ计算及控制方法．     

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.     

两足步行机器人并联腿机构的稳定性分析

提出了用ZMP点作为评价两足步行机器人并联腿机构稳定行走的指标,并给出了机器人在理想的状况实现静态行走时的ZMP点与稳定裕度的关系．分析了已知并联机器人在给定末端执行器轨迹的情况下在理想的地面进行稳定行走时的重心轨迹,并且给出了两足机器人能够稳定行走的区域,为两足并联机器人的研究开发和控制打下了坚实的基础．     

四足仿生机器人稳定性判定方法

为了准确评定足式机器人的行走稳定性及稳定裕度,提出了采用支撑面压力中心至机器人各足支撑点构成的支撑多边型各边的最短距离来评定机器人的行走稳定性的一般准则.根据该准则,引入了最小稳定距离概念,并将该判定准则转化为重心在支撑面的投影到支撑多边形边缘的最短距离来间接判定机器人的稳定性及稳定裕度,方便了计算.通过仿真讨论了干扰项、重心高度、支撑面倾角以及机器人质量等变量与稳定性的关系,最后给出了实验,验证了一般准则的有效性.     

STUDIES ON MECHANICS PROBLEM OF DYNAMIC WALKING OF ANTHROPOMORPHIC BIPED ROBOTS

ＳＴＵＤＩＥＳＯＮＭＥＣＨＡＮＩＣＳＰＲＯＢＬＥＭＯＦＤＹＮＡＭＩＣＷＡＬＫＩＮＧＯＦＡＮＴＨＲＯＰＯＭＯＲＰＨＩＣＢＩＰＥＤＲＯＢＯＴＳＴａｎＧｕａｎｚｈｅｎｇ；ＹａｎｇＨｏｎｇｚｈｉ（ＲｏｂｏｔｔｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｒｅ，ＣｅｎｔｒａｌＳ...     

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.     

基于旋转势场法的双足机器人避障路径规划方法

针对双足机器人在实际环境中运动时难以实时规避障碍物的问题,本文提出了基于旋转势场法的避障路径规划方法。该方法将足迹规划思想引入基于势场法的局部实时路径规划中,通过设计新的障碍物旋转势场来解决传统势场法的局部极小值问题,进而利用旋转势场和足迹规划间的映射关系实现双足机器人的实时避障运动。将该算法应用到一台双足机器人上进行实验验证,现场设定障碍物使路径更接近实际作业环境,机器人顺利完成了U型场地的避障,验证了该方法的有效性。     

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。     

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.     

用复矢量法建立机械设计中曲线曲率半径和曲率中心的统一计算式

对平面运动点的位移、速度和加速度进行了复矢量描述,并引入了复矢量点积概念．在此基础上,根据平面运动点的法向加速度等于速度的平方与曲率半径的比值的思想,给出了计算点轨迹曲率半径和曲率中心的通式、直角坐标式和极坐标式,进而将其推广到机械设计中的一般平面曲线．文中还讨论了几个有代表性的分析实例．