沟壑类非连续地形下的四足机器人运动控制

针对四足机器人踏入野外沟攀或踏上非结构化下行台阶时出现的姿态失稳问题,提出模仿生物神经反射机理的抗垂直惯性力平衡控制方法,即通过检测躯干的俯仰角突变信息,触发姿态反射,通过四条腿协调运动快速调整机器人姿态,抵抗惯性力造成的瞬时失稳.本文利用一个8自由度的四足仿生机器人设计了对比实验:机器人可成功跨越1.2倍跨距的沟壑并...     

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.     

基于静平衡的四足机器人直行与楼梯爬越步态

为提升四足机器人的障碍爬越能力,采用稳定裕度作为四足机器人静态稳定的判据,以落足点形成的 象限边界明确了不同初始位姿机器人的迈腿可能性．基于迈腿次序将所有步态划分为24 种类型．利用运动空间需 求最小、稳定裕度最大、步态协调性最好3 个基本评价指标,对四足机器人的24 种基本步态进行了对比分析．提出 了基于投影分析法结合平面静平衡步态理论的楼梯爬越步态研究方法,并以上述3 个特性参数最佳为要求,对楼梯 爬越步态进行了系统仿真,所得结果为四足机器人的直行与楼梯爬越步态选择提供了理论依据．实验表明了所研究 方法的有效性．     

Feedforward and Feedback Dynamic Trot Gait Control for Quadruped Walking Vehicle

To realize dynamically stable walking for a quadruped walking robot, the combination of the trajectory planning of the body and leg position (feedforward control) and the adaptive control using sensory information (feedback control) is indispensable. In this paper, we propose a new body trajectory, the 3D sway compensation trajectory, for a stable trot gait; we show that this trajectory has a lower energy consumption than the conventional sway trajectory that we have proposed. Then, for the adaptive attitude control method during the 2-leg supporting phase, we consider four methods, that is, a) rotation of body along the diagonal line between supporting feet, b) translation of body along the perpendicular line between supporting feet, c) vertical swing motion of recovering legs, and d) horizontal swing motion of recovering legs; we then describe how we verify the stabilization efficiency of each method through computer simulation, stabilization experimentation, and experimenting in walking on rough terrain using the quadruped walking robot, TITAN-VIII.     

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.     

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.     

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．     

四足机器人动态步行仿真及步行稳定性分析

为了研究影响四足机器人动态稳定步行的因素,使用ADAMS虚拟样机软件对四足步行机器人动态步行进行运动仿真。文中详细叙述了从机器人的运动轨迹规划、将MATLAB计算数据输入ADAMS,到由ADAMS施加力和约束、建立步行机器人虚拟样机的具体方法和步骤。从理沦及仿真结果两方面对影响机器人稳定步行的因素进行了较全面的分析和验证,如步长、步行周期、起步等。通过虚拟样机实验弥补了由于客观条件限制无法在物理样机上进行的部分实验内容,发现了机器人起步方式对步行稳定性具有明显影响并进行了分析。研究结果及所用的MATLAB-ADAMS联合仿真方法对四足步行机器人的设计研究以及仿真实验工作都具有指导意义。     

The Design and Control of a Prototype Quadruped Microrover

We describe the design, construction and control of a quadruped robot which walks on uneven terrain. A control system which produces a statically stable gait has been implemented; results showing a straight and turning gait are presented. The control of quadruped robots poses interesting challenges due to a small stability margin (when compared to hexapods for example). For this reason most implemented systems for outdoor walking on uneven terrain have been hexapods. The system described here has the added virtue of using very few inexpensive sensors and actuators. One of the aims of this work is to build a reduced complexity (low power, low mass and direct drive) walking robot for statically stable walking. The other aim is to compare the performance of this robot with a wheeled robot roughly the same size and weight. In this paper we report on progress towards the first of these two goals using a traverse across an obstacle field as an example.     

四足步行机器人中缩放式腿机构设计参数的选择

为了研制实用的缩放式四足步行机器,本文对在三维直角坐标系中用三个直线运动来实现足端空间运动的缩放式腿机构的运动空间进行了分析。用优化的方法得出了K_2=1和K_1越大越好的结论;并给出了较优的运动行程和驱动器的安放位置。     

基于 Matlab 与 Modelsim 的四足机器人步态算法的协同仿真

首先对液压四足机器人的运动特性进行了研究,选取 CPG 算法作为控制算法并建立了数学模型,用 Matlab 实现软件上的仿真,观察各髋关节的输出信号;然后借助 Matlab 工具 HDL Coder 将 Simulink 模型转换为 Verilog 硬件语言,并在硬件环境下借助 Modelsim 用 VHDL 语言进行协同仿真;最后通过输出信号的前后对比验证了算法的有效性。该方法简化了测试流程,无需采用复杂的 Test Bench 编程方法,提高了测试的完整性。     

仿人跑步机器人机构与步态规划综述

阐述了仿人跑步机器人研究的必要性,介绍了几款国外典型的仿人机器人机构设计和驱动系统设计,对仿人跑步机器人的步态规划问题进行了综述,并指出仿人跑步机器人领域的研究难点和未来研究方向。     

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.     

五杆四驱动平面双足机器人动态步态规划与非线性控制

以五杆四驱动的平面双足步行机器人为对象,研究了其动态步行的时不变步态规划和限定时间的非线性控制策略．揭示了其模型的欠驱动和完全驱动的混杂和非光滑动力学特性,推导了其碰撞模型．基于虚拟约束的概念,提出时不变步态的输出函数解析设计方法,设计了反馈线性化控制器,将系统转化为双积分环节．然后采用限定时间控制器在一步内零化输出函数．仿真实验表明,动态步行趋于一个稳定的极限环,实现了规划的行走模式,验证了该方法的有效性．     

Bionic Quadruped Robot Dynamic Gait Control Strategy Based on Twenty Degrees of Freedom

Quadruped robot dynamic gaits have much more advantages than static gaits on speed and efficiency, however high speed and efficiency calls for more complex mechanical structure and complicated control algorithm. It becomes even more challenging when the robot has more degrees of freedom. As a result, most of the present researches focused on simple robot, while the researches on dynamic gaits for complex robot with more degrees of freedom are relatively limited. The paper is focusing on the dynamic gaits control for complex robot with twenty degrees of freedom for the first time. Firstly, we build a relatively complete 3D model for quadruped robot based on spring loaded inverted pendulum (SLIP) model, analyze the inverse kinematics of the model, plan the trajectory of the swing foot and analyze the hydraulic drive. Secondly, we promote the control algorithm of one-legged to the quadruped robot based on the virtual leg and plan the state variables of pace gait and bound gait. Lastly, we realize the above two kinds of dynamic gaits in ADAMS-MATLAB joint simulation platform which testify the validity of above method.      

一种新型人工神经元振荡器的设计与应用

神经元振荡器在动物神经系统感知、运动、记忆等方面发挥重要作用,设计人工神经元振荡器不但可用研究生物神经元振荡器机理,而且可用于设计仿生机器人的仿生神经网络控制系统。本文首先提出了一种新型人工神经元振荡器,该振荡器由两个神经元构成,神经元自身存在非线性反馈联接,两者之间为线性突触联接。然后证明了其存在稳定的、近似圆形的极限环,振荡的收敛速度、幅度和频率分别由动力学方程中的三个参数独立控制。最后介绍了采用这种振荡器设计的鱼形机器人新型仿生神经网络控制系统,该控制系统可以实现对包括启停、稳定游动等动作的良好控制。     

连续电驱动四足机器人腿部机构设计与分析

提出了一种四足机器人腿部的连续电驱动（即电机整周转动驱动腿部实现摆转跨步动作）方案,设计了一种具有由切比雪夫机构、五杆机构组成的2自由度双曲柄复合连杆机构的机器人腿部结构．分析了动物的足端轨迹特性,采用轨迹圆滑、无突变、导数连续的椭圆曲线规划了机器人足端运动轨迹．以规划的足端轨迹再现为优化目标,采用遗传算法与fmincon函数内点法计算得到了腿部机构杆长的最佳尺寸．在此基础上,建立了机器人仿真模型,通过Adams仿真分析了机器人腿部机构的足端运动特性,并研制了腿部结构性能测试平台．完成了单腿足端运动轨迹跟踪实验,验证了腿部结构设计方案的可行性．     

双足步行机器人控制器的改进与实现

文章首先指出二十四自由度双足机器人的控制器是该型机器人的核心,也是扩展该型机器人功能首先需要改进的部件,接着介绍了双足机器人的控制器硬件和软件的改进设计。文章比较详细地阐述了双足机器人步态轨迹控制与规划,并指出下一步的研究方向是如何控制双足步行机器人稳定地和健壮地在复杂环境里及粗糙地面上行走。     

动态双足机器人的控制与优化研究进展

对动态双足机器人的可控周期步态的稳定性、鲁棒性和优化控制策略的国内外研究现状与发展趋势进行了探讨.首先,介绍动态双足机器人的动力学数学模型,进一步,提出动态双足机器人运动步态和控制系统原理;其次,讨论动态双足机器人可控周期步态稳定性现有的研究方法,分析这些方法中存在的缺点与不足;再次,研究动态双足机器人的可控周期步态优化控制策略,阐明各种策略的优缺点;最后,给出动态双足机器人研究领域的难点问题和未来工作,展望动态双足机器人可控周期步态与鲁棒稳定性及其应用的研究思路.     

四足机器人躯干重心稳定的变步长行走研究

在机器人稳定性控制优化问题的研究中,四足机器人行走过程中躯干重心位置的波动是运动不平稳的一个重要原因,也会带来机器人的低能效比和机械寿命缩短等问题.为了解决上述问题,研究了四足机器人行走过程中保持重心稳定的方法,提出重心无波动关节运动规划方法.从静止加速到指定速度的过程,速度的增加按S型曲线变化,保证重心的平稳加速;在恒速行走过程中,以躯干重心位置变化的加速度为零、足端在起脚和落脚位置的冲击为零作为约束条件,计算出四足机器人各关节的运动函数,保证了行走过程的重心平稳.机器人行走的步长在行走过程中动态计算,计算依据是保证整个行走过程中重心在水平面的投影始终在机器人支撑脚所在多边形范围之内,可进一步减小重心在垂向的波动.对所提方法进行了计算机仿真,运动规划及关节驱动函数在Matlab中实时解算,运动过程的程序控制采用Matlab的状态机技术,四足机器人行走的动力学过程用Adams实时计算.仿真过程中四足机器人行走平稳,实际重心曲线在横向和垂向的偏移波动极小,表明提方法对于重心的控制是有效的,为机器人稳定行走设计提供了依据.