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。     

脊柱型四足机器人运动学建模及对角小跑步态规划

针对四足机器人在常规对角小跑步态中绕对角支撑线的翻转力矩会导致机器人失衡问题,在运动学建模和失衡原因分析的基础上提出了2种新颖的对角小跑步态规划方法:叠加腿部侧摆运动的对角小跑步态和叠加脊柱偏航摆动的对角小跑步态.前者引入腿的侧摆关节的运动调节支撑腿足端轨迹,后者增加脊柱偏航关节的运动调节机器人的重心并保持足端轨迹不变,这2种方法均使机器人重心在整个对角小跑步态周期位于对角支撑线上.仿真结果显示,相比于常规对角小跑步态和足端轨迹后移的对角小跑步态,提出的对角小跑步态规划方法显著提高了机器人运动的稳定性.此外,提出的规划方法在存在模型误差时具有鲁棒性.     

递阶式虚拟结构非完整机器人的编队控制

提出一种递阶虚拟结构编队控制方法,将机器人编队按空间分布划分为簇,并定义某段时间内该簇(虚拟结构)的参考轨迹,将虚拟结构的运动转化为各机器人的期望轨迹,然后基于反步思想,并通过设计移动机器人误差跟踪系统的Lyapunov函数来设计动态反馈控制器,实现了对参考轨迹的全局渐近跟踪.最后通过对给定直线和圆轨迹的编队跟踪试验,验证了该控制策略的有效性.     

四足机器人坡面质心调整方法

为了实现稳定的坡面运动,设计了小腿采用液压缸的四足机器人.基于对角小跑步态,提出一种通过改变机器人前腿小腿腿长和保持后腿小腿腿长不变来实现坡面质心调整的方法.以机器人质心在斜面的投影点落在支撑对角线交点处为判据,对该质心调整方法进行了稳定性分析,得到姿态调整的确定值.对零冲击复合摆线足端轨迹规划方法进行了改进,以减少四足机器人坡面上的足地接触冲击.利用Adams和Matlab对四足机器人坡面trot步态运动进行了联合仿真.仿真结果表明所提出的质心调整方法和足端轨迹规划方法能够实现机器人在20°坡面上的稳定行走.      

四足机器人对角小跑直线步行的虚拟模型

提出用虚拟模型控制技术实现四足步行机器人的对角小跑直线步行,在阐述虚拟模型概念的基础上,推导了JTUWM-Ⅲ四足机器人对角支撑和四足支撑的虚拟模型,实现了对小角小跑步态,机体步行速度为0.2km/h。     

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.     

可分体轮腿四足机器人的运动模态分析与轨迹切换

【目的】煤矿井下地形复杂多变且空气中含有多种易燃易爆气体，具有极高的危险性。为了降低巡检风险，提高巡检效率，提出了一款具有多种运动模态的可分体轮腿四足机器人。【方法】分析了该机器人的腿模态、轮模态、轮腿混合模态、躯体分离组合模态、双臂夹持模态等5种主要运动模态。阐述了单腿结构参数并基于蒙特卡洛法绘制了机器人的腿部工作空间；利用加速度倒推法消除了足端纵向的加速度突变，优化了机器人腿模态下的足端轨迹；基于5次多项式的轨迹特点规划了机器人多个运动模态相互切换的轮腿切换轨迹；基于Webots与MATLAB的联合仿真环境，验证了机器人腿模态下使用Trot步态的稳定性及轮-腿模态切换轨迹的柔顺性。【结论】研究内容可为可分体轮腿四足机器人在矿井环境中进行巡检作业提供理论基础。     

基于分数阶的电动轮足式机器人腿部阻抗控制研究

为了减少机器人足端落地冲击力,提高机器人对复杂地形的适应能力,将基于位置的阻抗控制应用于电动轮足式机器人足式运动过程的柔顺性控制,提出具有分数阶结构形式的阻抗控制器以改善系统的接触性能.由于位置闭环的带宽会影响目标阻抗的实现,引入逆位置环补偿环节以提高系统的阻抗跟踪性能.仿真与实验结果表明,分数阶阻抗控制不仅能够实现足端与地面的稳定接触,而且相比于常规的二阶质量-阻尼-弹簧阻抗控制,能实现更好的接触过渡性能.      

行走机器人控制策略与开闭环学习控制

主从式双腿协调控制用于异构双腿行走机器人可减少规划量,控制的关键是步态轨迹跟踪.仿生膝关节使机器人步态更加仿人;但仿生腿模型复杂,跟随人工腿步态控制困难.P型开闭环迭代学习控制结合开环和闭环学习控制优点,不依赖于模型,适用于复杂机器人轨迹跟踪控制.从开闭环结合角度,证明了算法收敛性.算法在虚拟样机上的仿真表明算法有效、鲁棒性好且收敛速度优于单独开或闭环学习控制.     

液压四足机器人髋关节的鲁棒自适应动态面控制

液压四足机器人髋关节由伺服阀控缸系统构成,是机械腿的关键组成部分.它的控制性能直接影响着机械腿甚至机器人的运动控制精度.因为髋关节工作情况的复杂性和阀控缸系统自身的非线性,使得传统控制算法无法满足机器人运动性能指标的要求.由此,本文对液压四足机器人髋关节伺服阀控缸系统的控制方法进行了研究.首先通过对髋关节工作条件的分析完成了伺服阀控缸的数学建模,然后基于鲁棒自适应动态面的控制算法设计了伺服阀控缸系统的控制器,并从李雅普诺夫稳定判据的角度证明了系统的稳定性.最后通过Matlab与AMESim的联合仿真,对鲁棒自适应动态面与传统PID及普通动态面的控制效果做出对比,证明了所研究算法的有效性.      

离散化四足机器人自由步态控制方法

为了实现离散化四足机器人自由步态的控制,提出一种新的基于中枢神经模式发生器(CPG)的自由步态控制方法。介绍了离散化四足机器人模型,在已确定的地形中,设定四足机器人起始点与抵达点的状态。将连续步态按照离散化步态完成排序,形成排序集合。在此基础上,利用中枢神经模式发生器CPG,采用周期性振荡信号对离散化四足机器人腿部各关节进行控制,给出单独神经元模型。为了便于分析,使用互抑神经元构成的振荡器对神经元的输出信号进行改善,通过该振荡器产生规律的振荡信号,以控制离散化四足机器人完成自由步态移动。实验结果表明,所提方法能够有效控制离散化四足机器人实现自由步态移动。     

仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析

仿生设计一款小型的单腿具有四自由度的仿生四足机器人,开展机器人运动学正逆解分析。基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式芯片建立了机器人控制系统。该控制系统以半双工串口通讯方式向各个关节数字舵机发送步态数据包,控制舵机转动角度值,从而精确地控制四足机器人的稳定协调运动。实验结果表明:机器人在行走过程中机身的横滚角、俯仰角、偏航角(RPY角)变化较小,运动较为平稳,验证了机器人运动学正逆解准确性;以及所设计的嵌入式控制系统能较为精确地控制四足机器人运动,实现稳定的四足行走。该小型的嵌入式控制系统具有运算处理速度快、外设可扩展性和存储能力强的优点,满足仿生四足机器人智能算法、低功耗运动要求。     

半结构环境中电力作业机器人机械手鲁棒轨迹跟踪控制

在输电线路高电压、强电磁干扰的恶劣半结构环境下,为有效抑制扰动信号及各种不确定性因素对电力作业机器人机械手轨迹跟踪精度和运动稳定性的影响,提出了一种基于H∞控制理论的机器人机械手鲁棒轨迹跟踪运动控制方法.通过机器人控制体系结构的分层,利用拉格朗日法并结合关节电机电枢电压方程对机器人的不同动力学行为进行了动力学建模,获取了机器人动力学行为和动力学参数的映射模型,在此基础上推导出了扰动及不确定性因素情况下关节运动控制的状态空间表达式,并以此构建立了机械手H∞轨迹跟踪控制模型,利用线性矩阵不等式（LMI）求解了相应的轨迹跟踪H∞控制器,最后通过仿真实验验证了H∞控制的有效性.现场作业试验进一步验证了该控制方法的工程实用性,同时该控制方法具有通用性好、适应性强、易于扩展的显著特性.      

一种基于柔性腿部与主动腰部的仿猫四足机器人设计方法

目前大多数四足机器人以刚性腿部结构设计而成,部分机器人加入了单一自由度的腰部实现单方向的运动,但是总的来说都难以实现动物腿部肌肉、腰、脊椎关节的柔性运动。在四足动物中,猫拥有极强的运动灵活性。为更好地模拟猫的运动特性,参照猫的腿部骨骼结构和柔性组织,提出了一种具有柔性腿部和主动腰部的仿猫四足机器人设计方法。首先,从仿生学的角度研究猫的生理结构和运动方式,设计了包含弹簧-阻尼器系统四杆机构的柔性腿部,转动灵活且工作稳定的主动腰部和带有脊柱固定系统的前后躯干。同时,使用有限元分析工具对受力情况复杂的关键零件进行强度与刚度优化。之后,开发了运用新设计的仿猫四足机器人原型机,通过运动仿真软件配合原型机,进行了Trot步态行走、跳跃、落地缓冲和越障等实验。实验结果表明,相较传统的刚性腿部结构和单自由度腰部,应用该设计方法的四足机器人在运动性能方面有着显著优势,充分验证了其可行性与有效性。研究结果为四足机器人的设计提供了一种新的解决方案并给出了其理论依据和参考设计实例。     

Design of trotting controller for the position-controlled quadruped robot

This work presents a controller designed for position-controlled quadrupedal dynamic locomo-tion, aiming at simple and robust trotting control .The controller takes the torso attitude angles and velocities into planning foot trajectories .Firstly design of the servo motor actuated quadruped robot is introduced and the kinematic equations are deduced .Then a scheme is presented for controlling the robot torso attitude based on the virtual leg model .Furthermore , it demonstrates the design of the controller which enables the robot to have a wide range of trotting gaits and omni-directional mo-tions.Finally, results of robust trotting in various speeds , path tracking and push recovery in simu-lation are reported , and results of trotting on real quadruped robots will be studied .     

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.      

四足步行机器人中一种新型腿结构缓冲特性

四足步行机器人在高速步行时,地面对其产生了很大的冲击,引入弹性步行机构是减少冲击的关键．将一种新型弹性步行机构应用于四足步行机器人中,分析其工作原理,并研究其控制电路．进而以Ｐａｃｉｎｇ步态为例,对弹性步行机构的缓冲和储能功能进行了理论探讨和实验分析,并在对刚性腿和弹性腿对比研究的基础上,指出将弹性步行机构应用于四足步行机器人具有独特的优越性．     

四足机器人步行控制算法的研究

静态步行控制算法是利用稳定裕量(S-Margin)判别法,对采用缩放式腿部结构的四足机器人进行步行控制,保证了全过程的稳定性,并通过腿部姿态的改变自动补偿凹凸地面的影响。最后,通过实验证明了上述算法及所研究的软件的可靠性和实用性。