中枢模式发生器与足端轨迹的非线性映射

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了CPG模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于CPG的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在行走上的优劣性。为了同时利用CPG控制和轨迹规划的优点,提出采用神经网络将CPG控制曲线与足端轨迹逆运动学获得的驱动曲线进行非线性映射,使得四足机器人在控制上具备仿生特性,在足端接触上具备零冲击特性。仿真和实验结果表明,采用CPG的步态生成方法和轨迹规划方法四足机器人的行走速度理论行走速度80 mm/s相近,但采用CPG的步态生成方法四足机器人侧向位移在±10 mm以内且俯仰角在±1.5°之间,而采用轨迹规划的控制方法四足机器人侧向位移在±35 mm以内且俯仰角在±4°之间,可见两种控制方式对侧向偏移和俯仰运动的表现不一致。通过实验测量可知,机器人采用walk步态行走速度为18.57 mm/s,与理论行走速度20 mm/s接近,步态转换后以trot步态行走,行走速度为76.15 mm/s,与理论行走速度80 mm/s接近,少许误差可能是装配和行走过程打滑导致的。测量其侧向偏移程度可知,其侧向的偏移量左侧在15 mm内,右侧在25 mm内,其侧向偏移量均在合适的范围内,证明所提算法的有效性。

基于中枢模式发生器的机器人足端轨迹规划

提出一种仿生足端轨迹控制法,与传统方法相比,该方法用单个CPG神经元,将振荡器产生的轨迹直接作用于六足机器人足端,通过逆向求解各关节角度,节律摆动机器人各足实现横向行走。可调节CPG振荡器中的负载因子,周期,幅值等参数,实现六足机器人足端轨迹中的步距,步幅以及在摆动相过程中的前摆轨迹和后摆轨迹调节。通过Matlab与Coppeliasim联合仿真,验证了改进后的模型应用在足端轨迹的可行性,与传统方法相比,参数调节灵活性高,并发处理效果好。

仿真四足机器人足端轨迹分析及步态规划研究

本研究旨在分析仿真四足机器人的足端轨迹,并进行步态规划研究,以实现更稳定和高效的机器人运动。本研究目标主要聚焦于四足机器人足端轨迹的规划研究,考虑关节角度、支撑腿和摆动腿的协调,以获得平稳的步态。研究结论表明,不同类型的足端轨迹对机器人的步态和运动效果有显著影响,曲线轨迹能提供更平滑的运动过程。本研究的意义在于为四足机器人的设计与控制提供了重要参考,为实现更高水平的机器人移动能力和应用提供了理论基础和技术支持。

基于足端轨迹规划算法的液压四足机器人步态控制策略

设计一种液压四足机器人仿生机构,通过设定相应的坐标系为机器人进行运动学建模,并对行走过程中单腿的相位关系进行了分析。针对行走过程中足端的拖地、滑动和接触冲击等问题,提出一种零冲击的足端轨迹规划改进算法,并实现了步态规划算法设计。步态规划根据步态中各腿间的相位关系,借助四足机器人运动学模型进行逆运动学解算,求出各腿的关节角度函数,利用机构的几何关系得到各液压缸伸缩量控制函数,对试验样机各腿进行伺服驱动控制,从而实现液压四足机器人的步态规划行走。仿真试验结果表明,在该策略驱动控制下液压四足机器人行走过程连续平稳,样机足端轨迹较为平滑,躯干起伏较小,证明了该足端轨迹规划方法用于四足机器人步态设计的合理性和有效性。

基于最优时间间隔的足式机器人足端轨迹规划

在任务空间进行足式机器人足端轨迹规划时,由于任务空间与关节空间的非线性映射关系会导致关节电机的速度、加速度超限或发生突变,影响机器人的运动平稳性。针对该问题,提出了一种基于最优时间间隔的足式机器人足端轨迹规划算法。首先对任务空间规划出的足端轨迹离散点反解计算得到对应的关节角度,然后以关节角度为约束,以轨迹点之间的时间间隔为优化对象,建立机器人关节速度、加速度、加加速度与时间间隔的函数关系,构建面向最优时间间隔的多目标优化模型,引入分段式染色体片段变异处理对传统的遗传算法进行改进,得到机器人运动性能最优解。样机试验表明关节空间加速度峰值最大降低73.58%,加加速度峰值最大降低77.15%,任务空间中Y方向加速度最大降低61.82%。

基于足端轨迹的仿生四足机器人运动学分析与步态规划

设计了一种电驱动四足仿生机器人,构造了具有主被动自由度、基于电动缸驱动的机器人腿部关节结构。对机器人进行运动学建模,并借助其运动学模型进行机器人正逆运动学计算,求解出了机器人腿部各个关节的转角函数。针对四足机器人的行走特点,提出一种四足机器人步态规划方法。经过对机构几何关系的分析计算,得到腿部各个关节电动缸位移量驱动函数。仿真实验结果表明,四足机器人在该种算法下可实现连续平稳的行走,初步验证了所提轨迹规划方法、步态及机构设计的合理性和有效性。

四足仿生机器人仿生足端轨迹规划研究

基于自主设计的电驱四足仿生机器人实物本体,借鉴仿生学思想,提出一种基于哺乳动物运动轨迹的仿生步态策略来规划四足机器人足端轨迹.该方法首先利用视频分析技术提取四足哺乳动物大型犬在平坦地面以Trot步态行走时的骨骼三维数据,将获取的数据建立足端点坐标系;然后利用三次曲线拟合方法生成轨迹线,获得拟合度高、稳定性强、更加接近四足哺乳动物的实际运动状态的足端轨迹方程;最后通过Matlab软件进行仿真.实验结果表明,基于仿生步态策略驱动控制下,电驱四足仿生机器人行走过程连续平稳,足端轨迹平滑,仿生度高,比传统函数轨迹规划方法具有更好的性能,证明了该足端轨迹规划方法的合理性和有效性.

面向未知地形的四足机器人足端轨迹优化

在未知地形行走时,由于地形突变,采用常见步态算法的四足机器人容易受到冲击,导致失稳,为此,提出一种改进的四足机器人足端轨迹规划的算法。将足端运动轨迹分段优化,减小机器人在水平地面、上坡和下坡地形的足端力矩变化,增加四足机器人运动的稳定性。实验选用斯坦福四足机器人,记录俯仰角pitch、横滚角roll及足端力矩在机器人通过不同地形时的变化。实验结果表明,足端轨迹优化后的机器人在未知地形中行走的稳定性得到有效提升。

基于贝塞尔曲线的四足机器人足端轨迹规划研究

为了提高四足机器人对角小跑步态的平稳性,提出一种基于贝塞尔曲线的足端轨迹规划方法。针对四足机器人的对角小跑步态,建立了四足机器人并联腿运动学模型,运用几何法求解了正逆运动学,并基于零冲击原则和比例微分(Proportion and Differentiation,PD)控制器对摆动相和支撑相的足端轨迹进行优化;利用Webots仿真平台和实验样机进行对比试验。结果表明:当X方向上比例系数取20,微分系数取0.75 s,Y方向上比例系数取20,微分系数取0.5 s时,四足机器人的足端轨迹平滑且无速度、加速度突变,对角小跑步态更为稳定。

基于足端轨迹规划的四足机器人运动学分析与仿真

为了减少四足机器人在行走过程对地面的冲击,提出一种改进动静步态的五次多项式的足端轨迹规划。推导了改进五次多项式的数学公式,利用机器人运动学知识计算机器人的运动学逆解。根据数学推导,分析机器人足端速度和加速度的理论曲线。利用ADAMS对机器人在三角步态和对角步态下进行运动仿真,对比了足端轨迹的理论结果和仿真结果,分析了仿真情况下机器人质心变化和RPY角变化。理论分析和仿真结果一致,验证了改进足端轨迹的正确性。

步行机缩放式腿足端轨迹规划

综合了用作步行机构的缩放机构的原理及运动特性,提出了步行机对足端轨迹的要求,进行了详细的讨论,给出了适合于缩放式腿的足端轨迹规划方法,采用了两端插值中间过渡的规划手段,提高了步行机的节能性和适应性。

复杂环境中四足步行机动平台的足端轨迹规划

本文首先进行了四足步行机动平台的正逆运动学求解。然后分析了复杂地形中步行机动平台的步态参数。接着基于三次B样条曲线进行了对其足端轨迹规划。最后利用Matlab对足端轨迹曲线进行仿真分析,验证了足端轨迹规划的合理性。

未知环境的四足爬壁机器人足端轨迹双向蚁群规划方法

针对未知环境中的障碍物导致四足爬壁机器人爬壁作业的运动协调角度变化程度较大,加大了单向蚁群规划算法下爬壁机器人轨迹规划执行难度,设计一种双向蚁群规划方法,并应用到未知环境的四足爬壁机器人足端轨迹规划中。基于四足爬壁机器人结构,结合运动协调角度获取更新后的信息素浓度。通过构建正向蚂蚁群体和反向蚂蚁群体两个蚂蚁群体,分别从起点和终点开始搜索最优路径,并通过信息素浓度更新和转移概率计算不断更新路径。根据轨迹选择概率并添加启发式函数促使两个蚂蚁群体路径交叉,形成一条完整的足端轨迹,实现四足爬壁机器人足端轨迹双向蚁群规划。经过实验证明,所提方法能有效地实现四足爬壁机器人在未知环境中足端轨迹规划,规划结果具有较高的可行性和优越性,迭代收敛速度快。

关于四足机器人足端行走轨迹优化设计仿真

四足机器人足端行走轨迹目前主要依赖运动学模型关系实现,针对实际行走轨迹与规划轨迹存在较大偏差,造成偏差的原因具有多样性,难以建立准确模型对偏差进行处理的问题,利用自适应神经模糊推理系统在Matalb中经过仿真建立四足机器人的足端轨迹坐标点和关节变量的新的关系模型,该模型中采用反向误差传播算法和最小二乘法结合的混合算法来优化模型参数,模型的建立依赖于原始数据的训练,原始数据包含了偏差因素影响。以一种自行开发的四足机器人样机为平台进行现场验证,引入ANFIS模型的直线轨迹相比较初始的直线轨迹偏差减小,更加接近规划直线。上述方法能运用在不同结构的四足机器人行走轨迹优化中。

基于样条插值的仿壁虎机器人足端脱附轨迹规划

针对仿壁虎机器人足端粘附脱附运动,提出了Spline三次样条插值与Matlab/Simulink半实物仿真相结合的足端轨迹生成及优化的方法。合理选取关键节点,利用三次样条插值,可快速得到所需复杂的光滑轨迹曲线。设计了测试平台并进行半实物仿真,通过分析数据采集卡采集的脱附力的变化趋势,并合理调整三次样条插值数据节点,优化脱附轨迹及其法向力与切向力,使仿壁虎机器人单足脱附过程切向力和法向力保持在较小范围。验证了该方法在单腿运动轨迹生成中的有效性和可行性,为四足步态生成与爬壁实验奠定基础。

四足机器人足端复合轨迹运动特性研究

为提高四足机器人的运动平稳性和地形适应能力,使其顺利通过复杂崎岖地面,提出了一种四足机器人分段复合足端轨迹规划方法,将足端轨迹规划分为起步、跨步、落地三个部分。针对机器人足端在起步阶段碰撞未知不规则凸台、跨步阶段越障效率低及足端落地适应地形问题进行了足端轨迹曲线优化设计。在仿真环境下,通过虚拟模型控制方法控制机器人以对角步态分别在平地环境、复杂崎岖地形环境下运动,仿真结果表明,四足机器人以设计的足端轨迹在复杂崎岖地形上运动具有更小的机身波动和方向偏移,可在一定程度上适应崎岖地形,抵御运动环境中未知障碍干扰。

四足机器人足端运动空间分析与轨迹规划

基于四足机器人机构特性研究,从正逆运动学角度出发,对其关节转角与足端位置间的关系进行了求解运算;结合统计模拟方法中的蒙特卡洛法对足端运动空间进行了运算分析;依据运动空间对机器人足端轨迹进行了规划分析并给出了对应的关节转角曲线。不仅为足式机器人的腿部结构参数优化提供了参考,也为机器人驱动控制提供了理论依据。

新型四足步行机器人串并混联腿的轨迹规划与仿真研究

为了提高四足机器人的载重自重比,综合了一种新型串并混联四足步行机器人,并针对其运动过程的冲击问题,使用了一种基于高次多项式的零冲击足端轨迹规划算法.该机器人每条腿均是由3-RRR并联机构串联一个转动机构组成.此机构利用D-H的方法建立坐标系,利用足端轨迹规划算法在世界坐标系对串并混联腿的摆动相进行足端轨迹规划,支撑相利用匀速直线运动进行规划.根据反解模型,计算出足端在髋关节全局坐标系下的足端轨迹.然后,基于混联腿的运动学逆解用Matlab编程计算得出串并混联腿的四个驱动函数.最后,把单腿模型导入到ADAMS中,添加约束、驱动后,利用ADAMS对串并混联腿进行运动仿真.结果显示,该混联腿的足端实现了零冲击规划的目标,且足端轨迹的速度、加速度平滑.由此表明仿真结果与理论结果相符,验证了该算法的合理性和有效性,为进一步研究四足机器人的步态规划和运动控制奠定了基础.

基于三维空间曲线的四足机器人轨迹规划

四足机器人在对角小跑运动下的稳定性问题是当前四足机器人研究的热点,故分析了机体力矩对机体运动过程中稳定性的影响,提出一种新的足端轨迹函数。首先对机器人进行运动学分析,参照优宝特型四足机器人建立三维模型并搭建了仿真环境;然后分析机体力矩,得出机体翻转原因,即机体腿部摆动对机体产生的反作用力矩和重力产生的倾覆力矩以及运动中足端所受到的冲击力矩。在此基础上,通过利用机器人摆动腿侧摆关节运动提供一个力矩以平衡部分反作用力矩和倾覆力矩,提出了一种基于三维空间曲线的足端轨迹规划。最后,通过对比仿真实验验证了所提足端轨迹规划的有效性和正确性。

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。