一种基于变权重的六足机器人共享遥操作控制

针对复杂地形环境下的六足机器人步行操作任务,提出一种兼顾机器人行走效率以及稳定裕度的协同调控策略。该策略以现有的速度-位姿协同遥操作构架为基础,融入了共享控制策略,改善系统的操作性和协调性。该方法通过引入优势因子作为主端操作者对机器人的速度层与位姿层操作子系统的控制权重,通过以稳定裕度为输入的模糊推理器求出优势因子,将优势因子引入主从端控制器,主端机器人通过产生触觉力引导操作者进行控制指令的迭代。通过Vortex半物理仿真平台和操作手柄搭建的实验平台对本方法进行验证,并与传统的协同操控方式对比。实验结果表明,通过本策略对六足机器人进行操作能够在保证稳定裕度的同时合理地对机器人速度与位姿进行调控。     

四足机器人对角小跑步态动态稳定步行足端非连续约束及动力学建模

将四足机器人对角小跑步态周期分为摆动相和支撑相,采用D-H坐标法进行四足机器人运动学建模分析,提出基于质心运动定理分析腿机构处于支撑相的足端非连续约束力,通过力雅可比矩阵建立足端约束力与关节广义驱动力的映射关系。考虑足端与环境间的非连续约束,建立了具有变拓扑机构、非连续约束等特征的四足机器人非线性动力学模型,并通过虚拟样机仿真验证了动力学理论分析的正确性,为提高四足机器人非结构环境的机动性和动态稳定性研究提供了参考。     

基于运动相对性的六足机器人机体运动规划

将处于支撑相的六足机器人视为时变的并联机构进行运动学分析,给出了姿态给定情况下机体工作空间的确定方法及边界方程。在此基础上基于运动相对性原理,提出将机体的运动规划转化为足端轨迹规划的方法,从而简化机体运动规划中逆解的求取问题,并通过仿真与实验进行了验证。结果表明：六足机器人在支撑相内机体的工作空间为至多是支撑腿条数个空心球体的交集,利用运动相对性原理对支撑相内机体的运动规划问题进行转化简便、可行。     

基于多维度空间耦合的六足机器人步态规划

针对现有机身工作空间求解算法不适用于非平坦地形下六足机器人步态规划的问题,提出一种基于多维度空间耦合算法的机身工作空间求解方法,并将其应用于机器人在非平坦地面运动的步态规划中。将机身工作空间分为三个子空间,解析三个子空间边界方程,耦合得出机身工作空间,在此基础上,解析机身位姿与站立腿关节转角之间的映射关系,完成机身运动规划。仿真和样机实验结果对比表明：与采用传统机身运动规划算法的步态相比,所提方法能够减小摆动腿足端偏移量和机身姿态角变化幅度,并且能够保证机器人具有更高的步态稳定裕度,使机器人获得更好的步态稳定性。     

四足管道爬壁机器人周向运动位姿规划

为了实现四足机器人沿着管道内壁进行连续的周向运动,对运动过程中的位置和姿态进行规划.建立管道坐标系和机器人的位置、姿态方程,规划了一种包含足姿调整、机身旋转和机身平移的周向运动.为保证周向运动的连续性,对运动过程中位姿的角度、方向、位移进行规划,并通过足端运动实现周向运动位姿的规划.利用Matlab计算得到的周向运动关节角度曲线,对机器人样机进行爬壁实验.实验结果和滚转角分析验证了周向运动位姿规划的正确性.     

六足仿生机器人的平稳姿态调整

实现机器人机体姿态的平稳调整是足式机器人作为移动平台完成物资搬运等作业时的重要目标之一。本文通过分析六足机器人姿态的影响因素,研究目标姿态的可调整范围,建立了支撑腿关节与机器人机体姿态之间的动态映射关系,提出了针对六足机器人目标姿态的平稳调整方法。通过仿真验证了有效性。     

一种足式移动机器人的混合视觉伺服控制方法

针对一种配有单目相机的足式移动机器人,提出一种基于图像单应性的混合视觉伺服方法,利用单应性矩阵中的元素构造状态变量估计估计机器人相对位姿,使机器人在缺乏深度信息的情况下可准确到达目标位姿。相较于轮式移动机器人,在足式机器人移动过程中,足式机构的间歇性运动直接影响机器人视觉反馈过程和伺服控制系统的准确性和稳定性。为解决这一问题,通过分析足式机构运动学并建立足式机器人移动速度与电机转速的映射关系,使控制器可以更准确地调整机器人运动速度。考虑到足式机构运动对视觉反馈环节的影响,提出一种改进型自适应中值滤波算法提高位姿估计精度。伺服环节设计了滑模控制器,并采用李雅普诺夫方法证明了控制系统的稳定性。最后,利用CoppeliaSim软件搭建足式移动机器人虚拟模型,通过仿真验证了所提出控制方案的可行性与有效性。     

面向未知复杂地形的四足机器人运动规划方法

针对四足机器人在非结构化环境下的自适应稳定行走问题,提出一种面向未知复杂地形的四足机器人运动规划方法。采用爬行步态,基于零力矩点(Zero moment point, ZMP)稳定性判据进行在线轨迹规划。通过摆动腿的落地规划和感知策略估计未知地形的参数,实时调整各支撑腿的长度以控制机器人躯体的位置和姿态与当前地形相匹配,实现四足机器人对于未知地形高度和坡度变化的自适应。试验结果表明,四足机器人能够在满足稳定性的前提下,对未知复杂地形具有良好的适应能力,验证了该方法的有效性与可靠性。     

液压驱动六足机器人一种低冲击运动规划方法

足地接触冲击对大尺度重载足式机器人的运动性能影响显著。针对液压驱动六足机器人,以低冲击平顺运动为目标,提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规划方法。基于仿生构型和运动学模型推导腿部关节的角度函数,根据液压缸铰点布置和腿部机构几何关系推导出各液压缸活塞杆的位置控制函数,分析表明关节和液压缸运动平稳,速度、加速度无突变。基于Vortex搭建机器人仿真平台,采用该方法实现了步行过程的仿真模拟,机体稳定前移过程中的垂向起伏微小,侧向偏移率约为2.1%。将该方法应用于开发的六足机器人原理样机,进行野外自然环境行走测试,各关节按预定轨迹平稳运动,足端受力合理。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了提出的运动规划方法合理可行。     

新型仿生六足机器人自由步态中足端轨迹规划

设计了一种具有变形关节和轮式足端的新型仿生六足机器人,该机器人具备轮式、爬行、步行等运动模式,有较好的灵活性及环境适应能力。运用矢量法构建了机器人运动学模型,并利用几何关系对模型进行求解。对机器人沿给定的路径执行自由步态时机器人所允许的最大步幅进行了分析。基于不同的地形条件,规划了抛物线和直线-抛物线两种足端轨迹。仿真结果表明,机器人在沿给定的路径执行自由步态时,抛物线和直线-抛物线两种足端轨迹规划方法合理、可行。     

Footholds optimization for legged robots walking on complex terrain

This paper proposes a novel continuous footholds optimization method for legged robots to expand their walking ability on complex terrains. The algorithm can efficiently run onboard and online by using terrain perception information to protect the robot against slipping or tripping on the edge of obstacles, and to improve its stability and safety when walking on complex terrain. By relying on the depth camera installed on the robot and obtaining the terrain heightmap, the algorithm converts the discrete grid heightmap into a continuous costmap. Then, it constructs an optimization function combined with the robot’s state information to select the next footholds and generate the motion trajectory to control the robot’s locomotion. Compared with most existing footholds selection algorithms that rely on discrete enumeration search, as far as we know, the proposed algorithm is the first to use a continuous optimization method. We successfully implemented the algorithm on a hexapod robot, and verified its feasibility in a walking experiment on a complex terrain.     

基于带反馈Hopf振荡器的六足机器人斜坡步态发生器设计

为了提高六足机器人斜坡运动的稳定性,基于三支撑足步态,分析六足机器人的斜坡运动,得到斜坡运动静态稳定裕度与躯体俯仰角的定性关系;研究带反馈Hopf振荡器的输出特性与收敛系数、反馈量之间的关系,并设计基于带反馈Hopf振荡器的单腿三关节信号和斜坡步态发生器模型;确定收敛系数的组合,并引入躯体俯仰角构造反馈信号,实现在只改变膝关节摆角而不影响步态其他特性的情况下提高六足机器人斜坡运动的稳定性;搭建Matlab-ADAMS联合仿真平台与实物样机进行验证。仿真表明：与Hopf模型相比,基于带反馈Hopf模型六足机器人上12°斜坡稳定裕度提高6.3%,下12°斜坡稳定裕度提高7.2%;试验表明：在12°斜坡上前进1 m时,基于Hopf模型的六足机器人向左偏移0.3 m,基于带反馈Hopf模型的六足机器人向左偏移0.05 m,稳定裕度显著提高。     

基于神经网络的足踝外固定矫形方案设计方法

针对六轴外固定器在足踝矫形时的调整方案设计问题以及矫形器在治疗过程中的位姿变化轨迹优化问题，提出了基于神经网络的足踝外固定矫形方案设计方法。首先结合神经网络对六轴外固定器进行了运动学分析，其次讨论了针对不同矫形目标的常规踝构型、斜接串联构型、对接串联构型以及并联构型等不同矫形器构型模式，最后分析了六轴外固定器的计算机辅助调整方案并考虑了伸缩螺杆调节顺序对治疗轨迹的影响。实验结果表明，基于所提方法设计的六轴外固定器调整方案可以对不同足踝畸形类型下的矫正治疗进行有效指导并均能取得理想的残余畸形，平均残余位移畸形小于1 mm且平均残余成角畸形小于1°;同时也可以使六轴外固定器在治疗过程中的位姿变化轨迹更接近理想线性轨迹，优化后的位置轨迹偏移量和姿态轨迹偏移量分别减少了31%和19%,有效减缓了患者的痛苦并改善足踝矫形治疗体验。     

多移动机器人协同模式及其倾翻稳定性研究

针对山地果园单个移动机器人爬坡能力不足及稳定性差等问题,提出了一种多移动机器人协同操作的方法。在原有六足机器人结构的基础上增加了用于多机协同操作的连接件,得到了用于多机协同操作的机器人单体。将3个六足机器人单体通过协同操作得到了3种典型协同模式：串行模式、并行模式、三角模式。最后采用稳定锥法对足式移动机器人系统的单体模式及3种典型协同模式在6种典型地形情况下的静态、动态稳定性分别进行了分析。理论分析及仿真实验结果表明：3种典型协同模式间可进行两两切换;在6种典型地形情况下,通过多机协同操作及协同模式切换的方式可提高足式机器人系统的稳定性。     

基于傅里叶描述子的平面物体表征与抓取规划

针对传统抓取规划方法难以计算复杂轮廓物体、计算量大耗时长的弊端,以及基于深度学习的抓取规划方法物理模型简单、训练集制作耗时长的缺陷,提出了一种基于傅里叶描述子的平面物体表征及抓取规划方法。对物体进行图像采集和轮廓提取,将以散点形式表示的轮廓转化为傅里叶描述子,提取高阶项从而还原物体轮廓,构造了轮廓的参数方程。根据轮廓参数方程和接触点位置,使用不同接触模型构造抓取映射矩阵,采用凸包推进算法计算不同抓取位姿在力 力矩空间上的抓取性能指标。基于抓取性能指标,采用一种改进的粒子群方法进行抓取点规划,在二指夹持器和四指夹持器模型上进行了仿真验证。     

Novel Flexible Foot System for Humanoid Robot Adaptable to Uneven Ground

Humanoid robots can walk stably on flat ground,regular slopes,and stairs.However,because of their rigid and flat soles,adapting to unknown rough terrains is limited,moreover,to maintain large scale four-point contact for foot structures to keep balance is usually a key technical problem.In order to solve these problems,the control strategy and foot structures should be improved.In this paper,a novel flexible foot system is proposed.This system occupies 8 degrees of freedom(DOF),and can obtain larger support region to keep in four-point contact with uneven terrains;Novel cable transmission technology is put forward to reduce complexity of traditional mechanism and control strategy,and variation of each DOF is mapped to cable displacement.Furthermore,kinematics of this new system and a global dynamic model based on contact-force feedback are analyzed.According to stability criterion and feedback sensor information,a method calculating the optimal attitude matrix of contact points and joint variables is introduced.Virtual prototyping models of a 30-DOF humanoid robot and rough terrain are established to simulate humanoid robot walking on uneven ground,and feasibility of this system adapted to uneven terrain and validity of its control strategy are verified.The proposed research enhances the capability of humanoid robots to adapt to large scale uneven ground,expands the application field of humanoid robots,and thus lays a foundation for studies of humanoid robots performing tasks in complex environments in place of humans.     

无人直升机六足式起落架设计与控制算法

无人直升机在作战、巡逻、反潜、救援、运输中发挥极其重要的作用,但是传统起落架形式对起降环境要求较高。针对复杂地形自适应起落、恶劣海况舰面起降和停放以及应急坠撞高生存力等问题,提出了一种基于多连杆机构设计的无人直升机仿生腿式起落架系统,并完成了控制算法研究和建模仿真。首先从仿生腿数量、分布形式、腿部自由度配置和需要完成的功能等方面对仿生腿式起落架机械构型进行分析,并完成了六足式起落架运动学和动力学分析。然后针对仿生腿式起落架自适应着陆过程,完成着陆缓冲和地形建模算法的研究。最后,基于控制算法搭建虚拟样机仿真模型,完成了多种地形的仿真分析和样机测试。研究结果表明,所设计的仿生腿式起落架结构和控制算法可完成动态自适应着陆,实现着陆过程的平稳缓冲。