弹簧-负载倒立摆系统三维动态平衡控制仿真研究

弹簧-负载倒立摆(Spring-Loaded Inverse Pendulum,SLIP)是足式奔跑跳跃运动的动力学等效模型,也是高性能足式机器人的控制模板。考虑其在三维环境中受到外部扰动的情形,提出一种动态平衡控制方法,主要包括SLIP系统的飞行相弹簧腿摆角控制与着地相机身姿态调整,以及系统能量调节。采用ADAMS-Simulink联合仿真手段,分别针对连续外力扰动与瞬时冲击扰动的情形,对控制方法进行验证,同时将该方法扩展应用于多关节足式机器人单腿平衡运动问题。结果表明,所提出的平衡控制方法能够快速有效地实现三维动态稳定运动。

足式机器人弹簧负载倒立摆模型控制方法研究

将足式机器人运动模型简化成具有集中质量的机体和无质量的腿两部分,运用三分控制算法(弹跳高度、前进速度和机体姿态)对弹簧负载倒立摆模型进行控制,通过ADAMS与MATLAB的联合仿真结果表明该三分控制算法能够对弹簧负载倒立摆模型实现有效的控制,对足式机器人动力学控制具有重要的意义。

基于双弹簧负载倒立摆模型的步态模拟

利用双弹簧负载倒立摆模型模拟出双足在各类体育运动项目中走、跑、跳的稳定步态,并适配出合适的模型参数。基于质点动力学建立双弹簧负载倒立摆模型在各种状态(相)下的动力学方程,分析各相间的切换条件,利用MATLAB求解各相的动力学方程,并对解进行条件判断,从而变相循环。在给定初始条件下,通过适配合适的模型参数,可以稳定地模拟出双足前进时的走、跑、跳等步态。

基于SLIP模型的液压驱动单腿机器人竖直跳跃控制

针对液压驱动足式机器人竖直跳跃控制,提出一种基于SLIP竖直跳跃动力学模型实现液压驱动机器人竖直跳跃的控制策略。分析SLIP竖直跳跃动力学模型并求解其动力学微分方程得到质心运动轨迹,将关节型单腿机器人竖直跳跃髋部的运动轨迹映射到SLIP模型质心的运动轨迹,通过机器人运动学逆解得到机器人关节运动轨迹,以此驱动关节运动;同时建立关节型单腿机器人竖直跳跃动力学方程和液压驱动执行器动力学方程,应用MATLAB/Simulink软件进行动态跳跃控制仿真并进行样机试验。研究结果表明:基于SLIP竖直跳跃动力学模型的控制策略可实现液压驱动单腿机器人持续稳定的竖直跳跃,为足式机器人动态步态行走控制研究提供参考。

基于神经网络的仿人跑步机器人步态规划

为了快速生成仿人机器人跑步运动轨迹,研究了一种用于仿人机器人跑步步态生成的步态规划器。采用三维弹簧倒立摆模型描述跑步过程中仿人机器人质心运动规律,奔跑时机器人质心轨迹及落脚点位置可以由四个步态参数来确定,从而将步态规划问题转化成步态参数优化问题,求解了500余种不同运动状态下的步态参数。建立了基于三层BP神经网络的步态规划器,将优化结果作为训练样本训练神经网络。用上述规划器实现了仿人机器人跑步步态规划并对规划结果进行了仿真验证。研究结果表明,基于BP神经网络的步态规划器可以实现步态参数的快速计算,生成的跑步步态逼真;提出的跑步运动步态规划方法可行,为仿人机器人实时轨迹生成提供了一种解决方法。

液压足式机器人单腿等效模型的柔顺性弹跳研究

基于弹簧负载倒立摆的足式机器人单腿等效模型是移动机器人领域重要的步态分析模型.液压足式机器人由于其超强的负载能力以及高动态性能而越来越受到重视.液压驱动的弹簧负载倒立摆模型作为液压足式机器人关节型机械腿的单腿等效模型,对于液压足式机器人的步态研究具有重要的意义.本文考虑液压驱动的弹簧负载倒立摆单腿等效模型的单自由度弹跳问题,提出了一种基于主动柔顺的弹跳控制方法,依次对单腿等效模型着地相下降阶段和着地相上升阶段进行独立控制,仿真分析了相关系统参数对弹跳性能的影响,实际弹跳实验表明本文提出的方法能够减小着地冲击力,同时能够对弹跳高度进行有效控制.

液压四足机器人的跳跃步态控制

针对液压四足机器人的跳跃步态控制问题,依据弹簧负载倒立摆(spring-loaded inverted pendulum,SLIP)模型理论对四足机器人跳跃过程进行分析,采用解耦的控制思想,将运动控制分为水平运动控制、竖直运动控制和机身姿态控制,通过在腾空相对触地角的调整实现水平方向上速度的控制,在触地相进行能量补偿与机身俯仰姿态调整,完成对跳跃步态的控制,并在仿真软件中建立虚拟样机进行仿真分析,得出跳跃运动过程中的运动速度、跳跃高度和足端弹簧所受力的大小。最后在液压四足机器人平台上进行验证,证明了该方法可以实现四足机器人稳定的周期跳跃运动。

变长度弹性伸缩腿双足机器人半被动起步行走仿人控制

传统双足机器人行走使用轨迹跟踪控制,而人类行走大部分时间处于被动状态。针对半被动变长度弹性伸缩腿双足机器人从静止状态开始起步行走的问题,提出了一种起步行走仿人控制方法。首先,使用串联弹性驱动双足弹簧负载倒立摆(B-SLIP)模型;然后,利用拉格朗日方法建立行走动力学方程,并利用模型的自稳定性在双支撑阶段采用能量误差比例积分(PI)反馈控制与惰性控制方法控制后腿伸缩,在单支撑阶段采用摆动腿回摆方法控制机器人的高度和前向速度。仿真结果表明,所提出的控制策略可使双足机器人在水平面上实现起步行走过程,并且对应的控制系统对于外部周期扰动力具有抗干扰能力。

变刚度半被动双足机器人行走的仿人控制

研究了变刚度半被动双足机器人行走控制问题。采用仿人的行走控制策略,使用变刚度双足弹簧负载倒立摆模型,利用模型自稳定性,在双支撑阶段调整后腿刚度使机器人的能量保持在期望能量附近,在单支撑阶段调整摆动腿落地位置控制质点的高度和前向速度。仿真结果表明:本文采用的控制策略可以实现双足机器人在水平面上的稳定行走,无扰动时可以使机器人实现零输入的被动周期行走,有外部扰动时腿部变刚度控制可使机器人总能量恢复平衡并重新进入稳态行走,控制系统具有鲁棒性。

基于三次贝塞尔曲线的轨迹规划方法

四足机器人在复杂环境下既能够实现静态行走,又能够以动态方式高速运动,具有较高的研究价值。而足端轨迹研究则是四足机器人运动的基础。对四足机器人建立了简化模型,并对单腿的运动学和动力学进行建模。然后在运动学上根据弹簧负载倒立摆模型选取落脚点,轨迹上选取三次贝塞尔曲线进行改进由弹簧负载倒立摆模型和三次贝塞尔曲线生成足端轨迹,弹簧负载倒立摆模型获取足端落地平衡点保证机器人支撑相与摆动相切换时的平稳。

单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制

在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可能;基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律,实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制;集成SLIP模型,RWP模型和课题组提出的落地后转向策略,设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明:该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃,从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。

基于摄动理论的SLIP模型解析化研究及其运动控制

弹簧负载倒立摆(spring loaded inverted pendulum,SLIP)模型动力学分析缺乏有效解析化处理手段,为此提出一种基于摄动理论的SLIP模型支撑相动力学近似解求解方法.建立了飞行相顶点高度的Poincare映射,从而获得了SLIP模型动力学完整的解析化描述,通过误差分析验证了基于近似解析解的顶点高度预测值具有良好的数值逼近精度.在此基础上针对SLIP弹跳系统的运动控制,设计了基于Poincare逆映射的SLIP系统顶点高度无差拍控制器,并进行了阶跃期望轨迹跟踪实验.实验结果表明:本文所提出的算法具有快速跟踪期望轨迹的控制效果,同时可以有效抑制系统超调.此外,对质心水平速率实验曲线的分析证明算法在控制弹跳速率与高度间具有等效性,扩展了算法的应用范围.

四足机器人跳跃步态控制方法

针对四足机器人的奔跑控制问题,提出一种基于跳跃(Bound)步态的奔跑控制方法,通过腿部的快速小幅度摆动实现四足机器人的Bound步态。使用有限状态机将机器人的一个运动周期分为6个阶段,其中前腿与后腿各3个阶段,触地缓冲阶段采用竖直弹簧阻尼模型,蹬地阶段使用虚拟模型调整腿部对地推力方向,摆动相使用贝赛尔曲线规划足端轨迹。通过在动力学仿真软件中构建与液压驱动四足机器人SCalf-II同尺寸、同质量的虚拟样机对所提出的方法进行仿真验证与测试,结果表明机器人在5个周期后形成了有较强周期性的Bound步态,前进方向速度波动较小,各关节运动范围、速度、力矩均在SCalf-II设计指标之内,从而验证了该方法的正确性和有效性。

一种多模型融合的仿猎豹四足机器人复杂运动控制方法

针对具有2自由度主动脊柱关节的仿猎豹四足机器人,基于任务分解思想和生物神经系统机理,提出多模型融合的控制方法。该方法以弹簧负载倒立摆模型实现单腿跳跃控制,通过中枢模式发生器(CPG)实现4条腿之间以及脊柱―腿之间的协调控制,利用虚拟模型控制实现机器人与环境交互,采用基于CPG输出的有限状态机来融合3个控制模型,构建仿猎豹四足机器人的多模型分层运动控制器。参考猎豹脊柱运动特征,设计了机器人脊柱关节运动模式,给出脊柱与腿的协调控制策略。最后,在Webots仿真环境中搭建了仿猎豹四足机器人虚拟样机,实现了不同步态下的脊柱―腿的协调控制、在崎岖地形上稳定奔跑,以及平滑的对角―疾驰―对角步态转换,仿真结果验证了所提出的多模型融合的四足机器人运动控制方法的有效性。

高机动足式越野行走技术

针对足式机器人面临的挑战和具体应用需求,首先提出了高机动足式越野行走技术的基本概念,分析了越野环境对行走机构和步态行为产生的影响;其次,从腿/足/壤地面力学、步态行为和动力学模型等角度揭示了足式越野行走的基本原理;然后总结了为适应战场越野环境足式机器人所需的关键技术,并提出了相应的技术手段;最后展望了未来高机动足式越野行走关键技术的研究热点,为足式机器人军事化应用奠定了基础。