基于虚拟模型的四足机器人控制策略

为提高四足机器人在对角小跑(Trot)步态下的行走稳定性,并减小控制策略的复杂程度,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人控制策略;将四足机器人控制策略分为支撑相及机身运动控制、摆动腿相运动控制及足端轨迹规划三部分;在Trot步态下行走时支撑相中存在的前后对角支撑足,在分析四足机器人支撑足受力情况后,并添加相关的约束条件,实现了四足机器人足端力及力矩可控;并通过在四足机器人机身的质心位置添加相应的虚拟弹簧阻尼组件,实现了四足机器人姿态和高度控制;通过在摆动腿足端实际位置与环境之间添加虚拟的弹簧阻尼组件并结合足端轨迹规划实现了四足机器人柔顺行走以及足端轨迹跟踪精确性;通过Matlab和CoppeliaSim建立联合对比仿真验证了控制策略的有效性和优越性。     

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.     

双足机器人稳定行走步行模式的研究

研究了一种基于零力矩点(ZMP)预观控制系统的双足机器人稳定行走步行模式生成方法.通过对双足机器人行走过程中行走参数及ZMP轨迹进行规划,计算出机器人行走过程中的质心轨迹.由运动学模型求解出其行走过程中步行姿态,预观控制器利用未来目标ZMP参考值和双足机器人状态计算控制输入,对机器人进行稳定行走控制.最后采用ADAMS和Matlab/Simulink联合仿真技术对离线步行模式进行仿真验证,仿真结果表明双足机器人虚拟样机可实现稳定行走效果.     

基于粒子群优化算法的双足机器人步态优化

分析了髋关节位置对双足机器人步行稳定性判据零力矩点(ZMP)的影响,以ZMP稳定裕度为参数构造目标函数,利用粒子群优化算法(PSO)对基于3次样条插值方法规划的双足机器人步态进行优化,从而得到ZMP稳定裕度大的平滑步态.仿真实验表明:该方法规划的步态实现了双足机器人稳定、协调地行走.     

仿人机器人自适应步态规划方法研究

建立了仿人机器人关节转角与ZMP点之间的函数关系式 ,分析了实际ZMP点的计算过程 ,构造了一个具有学习功能的自适应步态规划参数修正框架 ,该框架能够通过学习满足仿人机器人行走过程中的实际ZMP点与理论ZMP点完全吻合 ,从而实现仿人机器人的稳定快速行走 ,降低了仿真计算结果与实际行走间的不一致性 .     

虚拟线性倒立摆模型在行走机器人双腿支撑相中的应用

为了提高双足机器人步行运动的稳定性,将双腿支撑阶段的机器人简化为一个虚拟的线性倒立摆模型。该模型以机器人运动的ZMP(zero moment point)为虚拟支点,以机器人质心为模型的质点;在运动中保持质点高度不变。通过预先设定ZMP的轨迹,即可获得机器人质心在双腿支撑阶段的运动轨迹。将该模型与机器人单腿支撑阶段的普通线性倒立摆模型综合运用,就能保证步行时机器人质心速度变化的连续性和步行运动的稳定性。该方法在实际机器人上进行了实验验证,结果表明该方法能够很好地适用于实际机器人的步行运动。     

仿生六足机器人基于足力分布的位姿调整策略

针对六足机器人非结构化地形稳定步行问题,研究了基于足力分布的位姿调整策略.通过力学分析建立了机器人任意步态模式下的足力分布模型,获得足底受力的平衡关系;采用重心位置调整策略实现了机器人步行过程中的位姿优化,来提高步行稳定性;并且建立了虚拟悬挂模型,采用足力补偿的方法对外界的扰动进行抑制,进一步提高机器人步行的稳定性.通过仿真验证了该调整策略对提高机器人步行稳定裕度的有效性.     

仿人机器人未知地面行走控制方法研究

介绍了一种仿人机器人未知地面行走的控制算法 .该算法通过踝关节六维力 \力矩传感器信息感知地面环境 ,确定步态参数 ,利用基于ZMP稳定判据的规划方法进行实时运动规划 ,实现机器人稳定行走 .     

基于自适应模糊算法的四足机器人运动VMC方法

为提高四足机器人的轨迹跟踪性能和多步态下运动的鲁棒性,将自适应模糊算法与虚拟模型控制理论运用在机器人的腿部关节控制中,并对虚拟模型控制(VMC)参数进行自适应实时调节.首先,分析了四足机器人的运动结构,采用D-H法建立运动学模型,对摆动腿和支撑腿进行关节力矩与虚拟力的研究;然后,考虑到传统VMC控制器参数固定导致系统动...     

基于ZMP双足机器人稳定性控制策略与算法的研究

基于ZMP控制理论及其数学模型,通过预先给定双足机器人步态的运动轨迹,计算确定各关节的旋转角度并选定控制系统的控制算法.对遗传算法在双足机器人步行稳定性控制策略做了分析,主要解决如何产生稳定控制机器人步态的数据,在步态运行过程中保证双足机器人从一个稳定态到下一个状态时,同样也是稳定的,以实现机器人在实际行走过程中达到较好的稳定效果.ZMP     

考虑能耗优化的双足步行机器人柔性关节研究

为了优化双足步行机器人行走过程中的能量消耗,建立机器人的柔性踝关节和柔性膝关节,分析在机器人单腿支撑阶段,矢状面运动中柔性关节的刚度对关节电机输出转矩和能量消耗的影响。首先,建立双足步行机器人的5连杆模型,分别在该模型的踝关节和膝关节对柔性进行改进;其次,采用基于零力矩点(zero moment point,ZMP)稳定判据的步态规划方法,通过给定ZMP轨迹获取机器人质心轨迹,插值得到机器人在刚性路面的离线步态;最后,基于改进的柔性关节5连杆步行机器人模型,分别采用拉格朗日方程解析法和虚拟样机动力学仿真法,分析柔性踝关节和膝关节的刚度对关节电机输出转矩和能量消耗的影响。研究结果表明:适当选择柔性关节的刚度可以有效地减小关节电机的输出转矩和能量消耗;柔性踝关节和膝关节分别存在1个最佳刚度,在此刚度下关节电机的能量消耗可以降到最小,与解析法中刚性关节相比分别减小89.87%和90.11%,与动力学仿真中刚性关节相比分别减小88.66%和81.23%。     

3-PPSR柔性并联机器人力控制研究

针对3-PPSR并联机器人加入大长径比柔性铰链和与外界环境接触产生形变的问题,在控制端提出了基于位置阻抗控制的主动柔顺控制策略。该方法在柔性并联机器人与外界环境对象的等效作用模型和基于位置的阻抗控制模型基础上,引入外界环境作用力和结合系统的力跟踪模型,通过调整初始参考位置控制模型的稳态误差实现基于位置的外力跟踪控制。采用Lyapunov稳定模型和能量方程,在未知环境变量条件下通过力偏差直接控制目标位置的自适应控制系统实现自适应的力控制。实验结果表明,基于位置的外力控制精度可以达到±0.05N,应用自适应控制精度可以达到±0.1N,3-PPSR柔性并联机器人的末端的接触力控制精度得到了提高,满足设计要求,验证了该控制方法的准确性和有效性。     

基于传递矩阵法的足式机器人四连杆腿部机构正向与逆向动力学分析

为了保证足式机器人腿部机构的控制准确性与实时性，利用向量代数方法，对足式机器人四连杆腿部机构进行几何运动学分析；根据有限元形函数理论，建立足式机器人四连杆腿部机构典型构件的质量离散方法；在几何运动学分析的基础上，基于力矩平衡原理，分别进行正向与逆向动力学分析；利用线性变换原理并结合传递矩阵法，建立足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型，并利用Adams软件建立足式机器人四连杆腿部机构虚拟样机模型，进行正向与逆向动力学仿真实例分析。结果表明，所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型与虚拟样机模型3个油缸力与3个方向足底力的误差分别小于1%与3%,验证了所建立的足式机器人四连杆腿部机构正-逆向动力学统一模型能够精确地求解油缸力与足底力。     

四足机器人对角小跑步态控制策略分析

基于动力学模型的四足机器人运动控制,难以实现适应非结构化环境的稳定步行.开展了基于中枢模式发生器控制策略的四足机器人对角小跑步态仿真分析与实验研究.采用正弦函数规划了四足机器人的足端期望轨迹,采用D-H坐标法进行四足机器人腿摆动相和支撑相的运动学分析,由运动学逆解获得四足机器人足端期望轨迹和关节角位移间的关系.设计了中枢模式发生器的神经振荡器控制器,建立由兴奋神经元和抑制神经元组成的振荡单元模型,输出振荡波控制四足机器人髋关节和膝关节.通过开展四足机器人对角小跑步态步行仿真和实验研究,验证了理论分析和控制方法的正确性,为提高四足机器人机动性奠定基础.     

液压四足机器人单腿的分数阶虚拟模型控制

虚拟模型控制广泛用于四足机器人的运动控制器设计中. 提出了一种分数阶虚拟模型控制器,在保证四足机器人柔性触地的同时,提高四足机器人小跑运动中单腿轨迹跟踪的精确性和鲁棒性. 介绍了关节液压缸力控制系统的频域建模过程及基于非线性寻优法的单腿虚拟模型控制器的参数整定,并通过实验对比了分数阶虚拟模型控制和传统虚拟模型控制在四足机器人小跑运动中单腿的控制效果,证明了分数阶虚拟模型控制对单腿轨迹跟踪性能的改善作用.      

基于压应力中心的仿人机器人离散轨迹运动控制

针对仿人机器人运动姿态和行为的离散轨迹规划中所存在的机器人稳定性问题,提出了基于压应力中心反馈的控制方法.该方法以17自由度的仿人机器人MechG作为样机,根据动态平衡状态下机器人的压应力中心(Center of Pressure,COP)和零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)重合的特性,通过检测COP反馈信息实时调整仿人机器人的各关节运动速度,以此规避机器人的不稳定轨迹点.通过机器人MechG的实验,验证了所提出的控制方法是可行的.     

基于零力矩点的四足机器人非平坦地形下步态规划与控制

为提升四足机器人在非平坦地形中的行走能力,根据零力矩点理论分析机器人行进过程的稳定条件,利用稳定裕度的概念,在支撑多边形中求取最优稳定点来规划零力矩点. 为避免walk步态中频繁调整躯干姿态导致的能耗和行进速度损失,提出了在次优支撑三角形中求取最优稳定点的方法. 针对斜坡地形中机器人运动性和稳定性的矛盾,设计了综合性能更高的躯干姿态和支撑点位置. 为适应不同坡度和躯干角度,通过对零冲击足端轨迹规划方法进行改进,实现了以目标支撑点为中心的斜坡零冲击规划目标. 仿真试验结果表明,该规划控制方法能够实现机器人在不同斜坡中的稳定行走.      

基于变质心高度策略的双足机器人变步长步态规划

针对双足机器人变步长步行需求,提出一种基于变质心高度策略的变步长步态生成方法。首先,通过理论计算结合样机实验,得出相同步行周期下不同步长对应的机器人能耗最低的质心高度,作为变高度过程中质心高度的参考值;其次,基于模型预测控制(MPC)建立质心状态方程,构建综合质心位轨迹、速度优化和落脚点控制的优化目标函数,考虑零力矩点(ZMP)稳定裕度约束,建立二次约束二次规划模型(QCQP),生成最优质心轨迹;最后,以NAO机器人为实验平台进行变步长步行对比实验。研究结果表明:采用模型预测控制方法,机器人步行过程中ZMP始终保持在稳定范围内,实现了稳定步行;基于变质心高度的步态生成策略,根据步长变化调整机器人质心高度,能适应0.04～0.10 m变步长步行,相比于定高度线性倒立摆模型具有更强的步长调节能力;针对所设计的变步长序列,基于变质心高度的变步长方法相比于传统恒定质心高度方法平均能耗降低约16%。     

一种测力鞋垫系统的设计研究

双足机器人的零力矩点(ZMP,zero moment point)位置的确定在机器人的控制中起着重要作用,足底压力分布测试鞋垫是测量足底压力分布并进而确定零力矩点的一种行之有效的先进手段.为了将鞋垫有效运用于实验室的双足机器人之上,将其在人足上进行实验.选用了美国Tekscan Flexiforce的A301薄膜压力传感器和C8051F226单片机,分别作为传感系统和硬件系统的核心,研制了足底压力分布测试鞋垫系统,并用其在人足上做了实验数据采集,验证了其可靠性.     

四足机器人坡面运动时的姿态调整技术

提出了一种四足机器人对脚小跑步态下的坡面运动姿态调整策略.采用复合摆线对机器人足端轨迹进行规划,以减小足端在换相点处与地面间的瞬时冲击;以机器人质心在斜面上的落点到支撑线的距离为判据进行四足机器人坡面运动稳定性分析,得到其姿态调整的确定值.在Adams中建立了四足机器人的虚拟样机模型并进行了仿真试验,试验结果证实所提出的姿态调整策略对提高四足机器人坡面运动稳定性有效.