基于虚拟元件的负载型四足步行平台静步态行走控制

传统的基于逆运动学或逆动力学静步态行走控制方法易导致步行平台足端与地面产生较大冲击力、机体轨迹产生较大跟踪误差,使步行平台出现稳定性问题。为实现负载型四足步行平台静步态柔顺稳定行走,提出一种基于虚拟元件的静步态行走控制方法。将步行平台静步态行走控制分为机体运动控制及摆动腿运动控制两部分,分别在机体各自由度及摆动腿各自由度添加虚拟弹簧阻尼元件,将机体与摆动腿控制转换为虚拟力控制。运用序列二次规划方法将机体虚拟力分配到支撑腿足端。结合各腿的雅克比矩阵,得到支撑腿与摆动腿的驱动关节力矩,并设计了步行平台静步态行走状态机。运用MATLAB与ADAMS软件建立四足步行平台仿真模型,对平台静步态行走进行联合仿真。仿真结果表明,虚拟元件控制实现了步行平台复杂地形静步态平稳行走,平台能够适应复杂地形变化,足端与地面冲击力较小,证实了所提虚拟元件控制方法的有效性。

负载型四足步行平台静步态行走虚拟模型控制

为实现负载型四足步行平台静步态柔顺行走,减小控制方法的复杂程度,提出了一种基于机体虚拟模型的步行平台静步态行走控制方法。将平台静步态行走控制分为支撑阶段足端力的求解、摆动腿的运动控制及机体运动控制三部分。对于静步态行走支撑阶段中存在的三足及四足支撑阶段,分别在平台整体受力分析基础上,通过添加相应的约束条件,实现了其各方向的力可控。通过在摆动腿足端实际位置与理想位置之间添加虚拟的弹簧阻尼元件实现了足端轨迹跟踪准确性及足端着地时的柔顺性。通过在机体实际位置及期望位置之间添加相应的虚拟弹簧阻尼元件,结合平台机体轨迹规划实现其静步态行走。并通过机动平台平地及爬越台阶静步态行走仿真验证了控制算法的有效性。

基于重心动力学及虚拟模型的负载型四足步行平台对角步态控制方法

为提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性,减小较大的腿部质量及偏心质量对稳定行走的影响,提出融合重心动力学及虚拟模型的控制方法.应用虚拟模型控制方法对机身及摆动腿加速度进行求解.结合平台重心动力学模型得到其所受合外力,而后应用二次规划将平台合外力分配到支撑腿足端.接着运用逆向动力学和关节空间PD控制得到步行平台关节力矩.通过Adams和Simulink对负载型四足步行平台对角步态行走进行仿真,并将该方法与虚拟模型控制算法进行对比.结果表明重心动力学及虚拟模型控制方法能够使平台姿态角稳定在目标值附近,在平台受到侧向冲击情况下横滚角、俯仰角分别减小约42%、21.8%,在机身偏心全向行走过程中减小50%、89%.证明了所提控制方法能够有效应对较大的腿部质量及偏心质量的影响,提高负载型四足步行平台对角步态行走的稳定性和鲁棒性.

负载型四足步行平台对角步态重量自适应行走控制

针对负载型四足步行平台重量变化时控制问题,提出了基于重心动力学与滑模自适应的控制方法。将步行平台的控制分为机身的控制及摆动腿的控制两部分,应用重心动力学与任务空间PD控制方法进行机身的运动控制,应用虚拟模型控制方法进行摆动腿的运动控制。而后,在平台高度方向应用滑模自适应控制算法,实现步行平台对重量变化的适应及重量识别,结合重心动力学提高平台前进速度及侧向速度跟踪的准确性。运用Adams和Simulink对步行平台重量变化时平地及斜坡对角步态行走进行仿真,并与虚拟模型控制方法进行对比。结果表明,重心动力学及滑模自适应控制算法实现了步行平台对重量的自适应性,且减小了前进速度和侧向速度跟踪误差,证明了所提控制方法的有效性。

一种负载型四足步行平台复杂地形静步态行走位姿调整方法

针对负载型四足步行平台位姿调整方法研究的不足,对其姿态调整过程及目标姿态角选择进行了研究。首先,在步行平台运动学及足端活动空间分析的基础上,利用支撑腿形成的支撑平面对地形进行感知,结合步态参数三角形及下一摆动腿的运动学裕度得到平台期望位姿及摆动腿起步点位置;然后,将步行平台位姿调整过程分为减速、调整及重新规划3个阶段,结合边界条件对各阶段机体轨迹进行规划;最后,对步行平台复杂地形静步态行走进行了仿真。结果表明:步行平台行走过程中依据地形特征不断调整姿态,平稳通过了复杂地形,验证了所提位姿调整方法的合理性。

四足步行机动平台协调静步态研究

步态研究是实现步行机动平台稳定行走的基础。协调静步态作为动物最常用的步态之一,其稳定性受重心投影点初始位置的影响。阐述了静步态参数和稳定性的相关定义,提出了协调静步态的研究方法,分析了重心初始位置的变化对协调步态稳定性的影响,比较了纵向稳定裕度和实际稳定裕度。

四足步行机动平台爬越台阶步态规划及其运动学分析

越障能力是四足步行机动平台的基本能力。台阶是生活中常见的障碍,实现对简单台阶的爬越,是其实用化的基础。四足步行机动平台爬越台阶步态规划是实现其越障的前提。首先运用D-H方法对四足步行机动平台进行了正逆运动学分析,得到了其驱动关节转角与足端点之间的相互关系。然后,对自然界中常见的地形障碍进行了总结,说明了机动平台的爬越台阶步态规划具有通用性。最后结合机动平台的间歇静步态规划对其越障过程中进行了运动学求解,并对各驱动关节角度变化规律进行了分析。

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。

越障型四足步行机动平台的关键技术分析

对越障型四足步行机动平台国内外主要研究机构的研究成果进行了分析,从仿生结构、驱动系统和行走步态三个方面对越障型四足步行机动平台的关键技术进行了总价。

运输四足步行机动平台行走侧向速度控制仿真

侧向速度控制是机动平台在三维空间中实现快速稳定行走的基础。由于运输四足步行机动平台对角步态行走过程中存在四足腾空相,机体在上升及下降阶段所对应的虚拟刚度变化较大,传统的侧向速度控制方法无法保证机动平台侧向行走稳定性。在四足步行机动平台运动学分析及虚拟模型控制方法阐述基础上,结合SLIP运动规律的分析,对传统控制方法进行改进,分别提出了考虑腾空速度、考虑腾空速度及平均速度的对角步态侧向速度控制方法,针对理想侧向速度为0及侧向存在运动需求两种情况分别进行了仿真研究,并对结果进行对比分析。结果表明考虑腾空速度及平均速度的对角步态侧向速度控制算法误差较小,较好的满足了对侧向速度的控制需求,证明了考虑腾空速度及平均速度的控制算法的有效性。

四足步行机动平台半圆柱形足端偏差分析

通过正逆运动学分析和足端轨迹规划,提出通过分析半圆柱形足端轨迹目标规划点(Objective Programming Point,OPP)与实际规划点(Actual Programming Point,APP)的相对位置关系来解决机动平台足端轨迹偏差问题的方法。首先,将支撑段机体的运动轨迹等效到足端;然后,通过足端轨迹的OPP与APP之间相对位置关系,给出由APP轨迹计算OPP轨迹的方法;最后,对足端轨迹OPP与APP在4种相对位置关系下机动平台足端在摆动相和支撑相的偏差问题进行了分析。研究结果对认识半圆柱形足端偏差的产生机理和误差补偿具有参考意义。