带被动踝关节的双足机器人动力学及步态研究

欠驱动双足步行机器人是仿人机器人领域研究的热点之一.针对带有被动踝关节的双足机器人,建立了五杆四驱动模型,对模型进行动力学分析.根据拉格朗日原理,建立机器人单足支撑动力学模型和基于碰撞的双足支撑动力学模型.建立完整的欠驱动双足步行机器人动力学模型.对机器人步态进行了规划.规划了欠驱动机器人的时不变步态;利用贝塞尔多项式拟合出虚拟约束的轨迹,给出了欠驱动机器人轨迹规划的算法;采用极限环方法,通过验证庞加莱回归映射不动点稳定性,验证了极限环的稳定性,从而验证了机器人步态的稳定性.     

有躯干双足机器人被动行走及其稳定器

采用Matlab仿真的方式构建了一个简单的有躯干双足机器人模型,研究了该模型在斜坡上的被动行走,分析了模型步行的稳定性,并设计了一个全状态线性反馈步行稳定器.研究结果表明:无任何驱动器的有躯干双足机器人能够实现沿斜坡而下的被动行走,其步行方式有两种,但均不稳定;设计的全状态反馈稳定器能够较好地稳定模型的被动行走.     

类圆规双足被动行走模型及其稳定性

研究一种两杆三质点类圆规双足被动行走模型,在行走模型上增加支撑脚横向和纵向两个自由度,以该模型为研究对象,求解被动动态行走步态,并分析其局部和全局稳定性.结果表明当模型的雅克比矩阵最大特征值在单位圆内且初始状态在吸引域内时,行走步态稳定.为理解双足行走的运动机理提供指导,同时也为设计稳定、高效的双足机器人提供分析思路.     

上斜坡双足机器人行走的稳定性分析

为了研究上斜坡双足机器人行走周期步态稳定性,采用拉格朗日方法建立双足机器人行走脉冲混杂系统,构造庞加莱映射,再通过对映射不动点的分析得到机器人行走周期步态的存在性及稳定性条件。研究结果表明：在斜坡角为0.1 rad的条件下,当线性脉冲推力各项系数选取合适参数时,双足机器人上斜坡行走系统存在稳定的周期-1步态;当脉冲推力的常数项系数取值不同时,其对应产生不同类型的周期-1步态;当行走系统状态参数改变时,其产生不同运动状态的周期-1步态。     

欠驱动双足机器人稳定行走控制与策略

为了解决欠驱动双足机器人行走的控制问题,提出一种欠驱动平面双足机器人稳定步行控制方法和策略.首先,分析带有身体惯量的倒立摆模型的动力学特性,根据动力学模型和姿态信息,设计姿态稳定控制器,维持机器人身体姿态的稳定.然后,根据欠驱动量的动力学方程和行走速度反馈,设计行走速度稳定控制器.通过调整摆动腿步长的策略,实现速度稳定的连续行走.最后,在双足机器人上开展实验,验证了该控制方法和策略的有效性.     

欠驱动步行机器人自抗扰控制系统的设计与分析

完全被动机器人具有局部稳定性,只有在斜坡上步行周期才能够收敛到一个恒定的不动点,而其他情况下,它步行周期的稳定性会被打破,难以保持步行的稳定性.针对这种情况设计了一种欠驱动步行机器人,为了提高其行走能力,开发了一种基于人体参数欠驱动步行机器人自抗扰控制系统.该控制器是结合欠驱动行走理论,基于多通道自抗扰控制方法,以"不动点"作为系统的输入状态变量,对机器人系统实现解耦控制,实现行走.利用Simulink进行建模仿真,分析结果表明:该控制器简单有效,能够帮助机器人实现欠驱动步行;在外界扰动作用下仍能快速收敛到稳定区间,大幅提升了机器人鲁棒性.     

基于脉冲推力作用的双足机器人半被动行走

研究了半被动双足机器人行走过程固定点的全局稳定性问题.使用罗盘机器人模型,在脚与地面冲击前,采用支撑腿的脉冲推力作为行走的动力源.通过引入一个限位器使两腿间的夹角在脚与地面冲击时保持为常数.采用庞加莱映射方法证明了半被动双足机器人行走固定点的存在性及其稳定性.分析了脉冲推力作用方向对双足机器人稳定行走的影响,并讨论了固定点存在的动力学附加条件.针对模型已知和未知2种情况,分别设计了行走控制律.理论分析和仿真结果表明,采用所提出的控制方法,半被动机器人可以在水平面上稳定行走,当脉冲推力作用方向与前腿垂直时控制效率最高.     

被动行走中躯干对能量效率的影响

针对有躯干双足机器人的被动行走,以躯干对双足步行的影响为侧重点,采用Matlab仿真的方式建立了2个纯被动有躯干机器人模型,分别为腿部无质量模型和腿部有质量模型.研究了2个模型中不同躯干质量、躯干长度对步行能量效率的影响,并将这2个模型的结果与对应的纯被动无躯干机器人模型进行了对比.结果表明:在相同的步行速度下,无躯干的机器人比有躯干的机器人更省能,躯干质量越小、躯干长度越小,机器人步行越省能.即在双足被动行走中,躯干在能量效率方面起不利作用.     

欠驱动机器人强化学习算法仿真及结果分析

针对纯被动机器人对环境变化敏感,抗干扰能力差等问题,提出了一种基于Sarsa(λ)强化学习的底层PD控制器参数优化算法.在MatODE环境下建立双足有膝关节机器人模型并进行控制器设计.通过与传统控制器仿真结果的对比分析,得出该算法可使模型获得更加稳定的行走步态,同时提高了系统抵抗斜坡扰动的能力,增强机器人的行走鲁棒性.     

基于被动行走原理的双足机器人步态规划

为解决四连杆双足机器人的平面步态规划问题, 提出基于被动行走的平面步态规划。基于3毅向下坡面完全被动行走的动力学方程, 利用角度不变控制方法施加控制力矩, 得到机器人在水平面上的动力学模型。结合常数时间放缩方法对平面参考轨迹进行时间放缩, 得到机器人在水平面上步幅不变, 周期可变的行走步态。通过Matlab 软件数值仿真结果表明, 该研究方法是可行、有效的。